O sursă de energie electrică este un dispozitiv care furnizează energia necesară echipamentelor electrice sau electronice. Adesea, electricitatea este disponibilă direct numai dintr-o sursă cu caracteristici electrice inadecvate - curent alternativ (AC) în loc de curent continuu (DC), de exemplu - și este necesară o sursă de alimentare pentru a modifica puterea pentru a îndeplini cerințele echipamentului. Deoarece dispozitivele digitale, care sunt atât de numeroase, funcționează cu o tensiune DC destul de scăzută, în timp ce puterea este cel mai frecvent disponibilă ca o tensiune alternativă destul de înaltă, sursele de alimentare schimbă în mod obișnuit AC în DC și cresc tensiunea, după cum este necesar. De asemenea, sunt necesare pentru a condiționa curentul și curentul de la baterii la dispozitive sensibile. O lanternă, de exemplu, nu conține o sursă de alimentare, dar o cameră digitală. Sursele de alimentare asigură adesea protecție împotriva defecțiunilor sursei de alimentare care ar putea deteriora echipamentul. Ele pot oferi, de asemenea, izolație de zgomotul electric potențial dăunător, care se găsește de obicei pe liniile electrice comerciale.

energie

O sursă de alimentare electrică poate fi o baterie simplă sau poate fi mai sofisticată decât echipamentul pe care îl suportă. O sursă de alimentare adecvată este o parte esențială a oricărei colecții funcționale de circuite electrice sau electronice.

Cerința pentru sursele de alimentare

Bateriile ar putea fi utilizate pentru a furniza energie pentru aproape toate echipamentele electronice dacă nu ar fi costul ridicat al energiei pe care îl furnizează în comparație cu liniile electrice comerciale. Sursele de alimentare au fost numite odată eliminatoare de baterii, un nume potrivit, deoarece au făcut posibilă utilizarea energiei mai puțin costisitoare de la o linie de alimentare comercială acolo unde este disponibilă. Bateriile reprezintă în continuare o alegere adecvată și economică pentru echipamentele portabile cu cerințe de energie modeste.

Bateriile ca surse de alimentare

Două tipuri de bază de celule chimice sunt utilizate în bateriile care furnizează energie echipamentelor electronice. Celulele primare nu sunt în mod normal reîncărcabile. Acestea sunt destinate a fi aruncate după ce rezerva lor de energie este epuizată. Celulele secundare, pe de altă parte, sunt reîncărcabile. Celula secundară plumb-acid utilizată în bateria unui automobil poate fi reîncărcată de multe ori înainte de a se defecta. Bateriile nichel-cadmiu se bazează pe celule secundare.

Surse de alimentare plug-in

Alimentarea cu energie electrică a locuințelor și a întreprinderilor asigurată prin liniile electrice comerciale este furnizată de un curent alternativ (AC). Cu toate acestea, echipamentele electronice necesită aproape întotdeauna curent continuu (DC). Sursele de alimentare schimbă de obicei AC la DC printr-un proces numit rectificare. Diodele semiconductoare care trec curentul într-o singură direcție sunt utilizate pentru a bloca curentul liniei electrice atunci când polaritatea acesteia se inversează. Condensatoarele stochează energie pentru utilizare atunci când diodele nu conduc, furnizând curent continuu de tensiune relativ constant, după cum este necesar.

Reglarea tensiunii de alimentare

Reglarea slabă a tensiunii în linia de alimentare face ca luminile dintr-o casă să se estompeze de fiecare dată când frigiderul pornește. În mod similar, dacă o schimbare a curentului dintr-o sursă de alimentare determină variația tensiunii, sursa de alimentare are o reglare slabă a tensiunii. Majoritatea echipamentelor electronice vor funcționa cel mai bine atunci când sunt furnizate de la o sursă de tensiune aproape constantă. O tensiune de alimentare incertă poate duce la o performanță slabă a circuitului.

Analiza performanței unei surse de alimentare tipice este simplificată prin modelarea acesteia ca o sursă de tensiune constantă în serie cu o rezistență internă. Rezistența internă este utilizată pentru a explica modificările tensiunii terminale atunci când curentul dintr-un circuit variază. Cu cât este mai mică rezistența internă a unei surse de alimentare date, cu atât poate furniza mai mult curent în timp ce menține o tensiune terminală aproape constantă. O alimentare ideală pentru circuitele care necesită o tensiune invariabilă cu curent de sarcină schimbător ar avea o rezistență internă aproape de zero. O sursă de alimentare cu o rezistență internă foarte mică este uneori numită sursă de energie „rigidă”.

O sursă de alimentare inadecvată compromite aproape întotdeauna performanța echipamentelor electronice. Amplificatoarele audio, de exemplu, pot produce sunet distorsionat dacă tensiunea de alimentare scade la fiecare impuls puternic de sunet. A fost o perioadă în care imaginile de pe televizoare se micșorau dacă tensiunea de curent alternativ scădea sub o valoare minimă. Aceste probleme sunt mai puțin semnificative acum că reglarea tensiunii a fost inclusă în majoritatea surselor de alimentare.

Există două abordări care pot fi utilizate pentru a îmbunătăți reglarea tensiunii unei surse de alimentare. O sursă de alimentare simplă, care este mult mai mare decât este cerută de cererea medie de echipament, vă va ajuta. O sursă de energie mai mare ar trebui să aibă o rezistență internă efectivă mai mică, deși aceasta nu este o regulă absolută. Cu o rezistență internă mai mică, modificările curentului furnizat sunt mai puțin semnificative și reglarea tensiunii este îmbunătățită în comparație cu o sursă de alimentare operată aproape de capacitatea sa maximă.

Unele aplicații de alimentare necesită o rezistență internă mai mare. Transmițătoarele radar de mare putere necesită o sursă de energie cu o rezistență internă ridicată, astfel încât ieșirea să poată fi scurtcircuitată de fiecare dată când radarul transmite un impuls de semnal fără a deteriora circuitele. Receptoarele de televiziune măresc artificial rezistența sursei de alimentare de înaltă tensiune pentru tubul de imagine adăugând rezistență în mod deliberat. Acest lucru limitează curentul care va fi livrat în cazul în care un tehnician contactează din greșeală tensiunea înaltă, care altfel ar putea produce un șoc electric fatal.

Circuite de reglare a tensiunii

Sursele de alimentare reglate în tensiune dispun de circuite care le monitorizează tensiunea de ieșire. Dacă această tensiune se modifică din cauza schimbărilor de curent extern sau din cauza schimbărilor în tensiunea liniei de alimentare, circuitele regulatorului efectuează o reglare de compensare aproape instantanee.

Două abordări comune sunt utilizate în proiectarea surselor de alimentare cu tensiune reglată. În schema mai puțin obișnuită, un regulator de șunt se conectează în paralel cu bornele de ieșire a sursei de alimentare și menține o tensiune constantă prin pierderea curentului circuitului extern, numit sarcina nu necesită. Curentul furnizat de partea nereglementată a sursei de alimentare este întotdeauna constant. Regulatorul de șunt deviază aproape niciun curent atunci când sarcina externă necesită un curent greu. Dacă sarcina externă este redusă, curentul regulatorului de șunt crește. Dezavantajul reglării șuntului este că disipează întreaga putere pe care alimentarea este concepută să o furnizeze, indiferent dacă circuitul extern necesită sau nu energie.

Proiectarea regulatorului de tensiune în serie mai comun depinde de rezistența variabilă creată de un tranzistor în serie cu curentul circuitului extern. Căderea de tensiune a tranzistorului se reglează automat pentru a menține o tensiune de ieșire constantă. Tensiunea de ieșire a sursei de alimentare este eșantionată continuu, în comparație cu o referință precisă, iar caracteristicile tranzistorului sunt ajustate automat pentru a menține o ieșire constantă.

O sursă de alimentare cu reglare adecvată a tensiunii va îmbunătăți adesea performanța dispozitivului electronic pe care îl alimentează, atât de mult încât reglarea tensiunii este o caracteristică foarte comună a tuturor proiectelor, cu excepția celor mai simple. Circuitele integrate ambalate sunt dispozitive simple cu trei terminale utilizate în mod obișnuit, care conțin tranzistorul de serie și majoritatea circuitelor de susținere ale regulatorului. Aceste jetoane „de pe raft” au făcut foarte ușoară includerea capacității de reglare a tensiunii într-o sursă de alimentare.

Surse de alimentare și interacțiunea de încărcare

Atunci când o singură sursă de alimentare servește mai multe circuite externe independente, modificările cererii de curent impuse de un circuit pot provoca modificări de tensiune care afectează funcționarea altor circuite. Aceste interacțiuni constituie un cuplaj nedorit al semnalului prin sursa de energie comună, producând instabilitate. Regulatoarele de tensiune pot preveni această problemă prin reducerea rezistenței interne a sursei comune de alimentare.

Reducerea ondulării

Când un curent alternativ este convertit în curent continuu, variațiile mici de tensiune la frecvența de alimentare sunt dificil de netezit sau filtrat complet. În cazul surselor de alimentare operate de la linia de alimentare de 60 Hz, rezultatul este o variație a frecvenței joase a ieșirii sursei de alimentare, numită tensiune de ondulare. Tensiunea de undă la ieșirea sursei de alimentare se va adăuga odată cu semnalele procesate prin circuite electronice, în special în circuitele unde tensiunea semnalului este scăzută. Ripple-ul poate fi redus la minimum folosind circuite de filtrare mai elaborate, dar poate fi redus mai eficient cu reglarea tensiunii active. Un regulator de tensiune poate răspunde suficient de rapid pentru a anula modificările nedorite ale tensiunii.

Minimizarea efectelor modificărilor de tensiune de linie

Tensiunile liniei electrice fluctuează în mod aleatoriu din mai multe motive. Un transformator special de reglare a tensiunii poate îmbunătăți stabilitatea tensiunii puterii primare. Acțiunea acestui transformator se bazează pe o bobină care include un condensator care reglează inductanța transformatorului în rezonanță la frecvența liniei de alimentare. Când tensiunea de linie este prea mare, curentul de circulație din înfășurarea rezonantă a transformatorului tinde să sature miezul magnetic al transformatorului, reducând eficiența acestuia și provocând căderea tensiunii. Când tensiunea de linie este prea mică, ca într-o zi fierbinte de vară, când aparatele de aer condiționat taxează capacitățile generatoarelor și liniilor electrice, curentul de circulație este redus, sporind eficiența transformatorului. Reglarea tensiunii realizată de aceste transformatoare poate fi utilă chiar dacă nu este perfectă. Un brand TV timpuriu a inclus transformatoare rezonante pentru a preveni variațiile dimensiunii imaginii care însoțeau schimbările normale de tensiune de linie.

Transformatoarele de putere rezonante risipesc energie, un dezavantaj serios și nu funcționează bine decât dacă sunt încărcate puternic. Un transformator de reglare va disipa aproape puterea nominală maximă chiar și fără sarcină. De asemenea, tind să distorsioneze forma de undă a curentului alternativ, adăugând armonici la ieșirea lor, ceea ce poate prezenta o problemă la alimentarea echipamentelor sensibile.

Alimentatoare de laborator

Sursele de alimentare cu tensiune reglementată sunt echipamente necesare în laboratoarele științifice și tehnice. Acestea oferă o sursă reglabilă, reglementată de energie electrică pentru a testa circuitele aflate în curs de dezvoltare.

Sursele de alimentare de laborator prezintă de obicei două moduri programabile, o ieșire de tensiune constantă într-un interval selectat de curent de sarcină și o ieșire de curent constant într-o gamă largă de tensiune. Punctul de încrucișare în care acțiunea trece de la tensiune constantă la acțiune de curent constant este selectat de utilizator. De exemplu, poate fi de dorit să limitați curentul la un circuit de testare pentru a evita deteriorarea dacă apare o defecțiune a circuitului ascuns. Dacă circuitul solicită mai puțin decât o valoare selectată a curentului, circuitele de reglare vor menține tensiunea de ieșire la valoarea selectată. Cu toate acestea, dacă circuitul necesită mai mult decât curentul maxim selectat, circuitul regulatorului va reduce tensiunea terminală la orice valoare va menține curentul maxim selectat prin sarcină. Circuitului alimentat nu i se va permite niciodată să transporte mai mult decât limita de curent constant selectată.

Surse de alimentare simple pentru transformatoare

Pentru majoritatea liniilor electrice este necesar curent alternativ, deoarece AC face posibilă modificarea raportului de tensiune la curent cu transformatoare. Transformatoarele sunt utilizate în sursele de alimentare atunci când este necesar să crească sau să scadă tensiunea. Ieșirea de curent alternativ a acestor transformatoare trebuie, de obicei, să fie rectificată în curent continuu. Curentul continuu pulsatoriu rezultat este filtrat pentru a crea curent continuu aproape pur.

Surse de alimentare cu comutare

O dezvoltare relativ nouă a tehnologiei de alimentare cu energie electrică, alimentarea prin comutare, devine populară. Sursele de comutare sunt ușoare și foarte eficiente. Aproape toate computerele personale sunt alimentate de la surse de alimentare.

Sursa de alimentare de comutare își ia numele din utilizarea comutatoarelor cu tranzistoare, care comută și intră rapid din conductiune. Curentul circulă mai întâi într-o direcție, apoi în cealaltă în timp ce trece prin transformator. Pulsările de la semnalul de comutare rectificat sunt frecvențe mult mai mari decât frecvența liniei de alimentare, prin urmare conținutul de ondulație poate fi redus cu ușurință cu condensatori de filtru mici. Reglarea tensiunii poate fi realizată prin variația frecvenței de comutare. Modificările frecvenței de comutare modifică eficiența transformatorului de alimentare suficient pentru a stabiliza tensiunea de ieșire.

TERMENI CHEIE

Curent alternativ - Curent electric care curge mai întâi într-o direcție, apoi în cealaltă; abreviat AC.

Curent continuu (DC) - Curent electric care curge întotdeauna în aceeași direcție.

Filtru - Circuite electrice concepute pentru a netezi variațiile de tensiune.

Armonic - Multiplu de număr întreg al unei frecvențe fundamentale.

Hz - Abrevierea SI pentru Hertz, unitatea de frecvență (1 Hz = un ciclu pe secundă).

Rezistență internă - Rezistența fictivă propusă pentru a explica variația tensiunii.

Modelare - Analiza unui dispozitiv complicat cu o analogie mai simplă.

Ohms - Unitate de rezistență electrică, egală cu 1 Volt per Ampere.

Paralel - Conexiune electrică side-by-side.

Rectificare - Schimbarea curentului alternativ (AC) în curent continuu (DC) prin blocarea fluxului invers de sarcină.

Ripple - Variația repetitivă a tensiunii din filtrarea inadecvată.

Surse de alimentare de comutare nu sunt de obicei deteriorate de scurtcircuitele bruște. Acțiunea de comutare se oprește aproape imediat, protejând alimentarea și sarcina circuitului. Se spune că o sursă de alimentare de comutare sa oprit atunci când curentul excesiv întrerupe acțiunea.

Sursele de comutare sunt ușoare, deoarece componentele sunt mai eficiente la frecvențe mai mari. Transformatoarele au nevoie de mult mai puțin fier în nucleele lor la frecvențe mai mari.

Sursele de alimentare cu comutare au un conținut neglijabil neglijabil la frecvențe sonore. Variațiile de ieșire ale sursei de alimentare de comutare sunt inaudibile în comparație cu zumzetul care este comun cu sursele de alimentare care funcționează la frecvența de 60 Hz a liniei de curent alternativ.

Importanța surselor de alimentare

Sursele electrice nu sunt cea mai plină de farmec din tehnologia contemporană, dar fără ele produsele electronice cu care suntem înconjurați nu ar putea funcționa.

Resurse

CĂRȚI

Lenk, Ron. Proiectarea practică a surselor de alimentare. New York: Wiley/IEEE, 2005.

Mark, Raymond A. Demistificarea surselor de alimentare cu comutare. Oxford, Marea Britanie: Newnes, 2005.

Citați acest articol
Alegeți un stil mai jos și copiați textul pentru bibliografia dvs.

"Alimentare cu energie electrică." The Gale Encyclopedia of Science. . Encyclopedia.com. 16 oct. 2020 https://www.encyclopedia.com> .

Stiluri de citare

Encyclopedia.com vă oferă posibilitatea de a cita articole de referință și articole în conformitate cu stiluri comune de la Modern Language Association (MLA), The Chicago Manual of Style și American Psychological Association (APA).

În instrumentul „Citați acest articol”, alegeți un stil pentru a vedea cum arată toate informațiile disponibile atunci când sunt formatate în funcție de stilul respectiv. Apoi, copiați și lipiți textul în bibliografia dvs. sau în lista de lucrări citate.