Sam Sattel

Sursele de alimentare constituie baza tuturor dispozitivelor noastre electronice și oferă un flux consistent de tipare acolo unde este cel mai necesar. În electronica modernă de astăzi, cum ar fi computerele și alte dispozitive sensibile la date, alimentarea trebuie să funcționeze perfect, iar o singură defecțiune poate însemna muncă și date pierdute. Însă, în calitate de designeri electronici, ne lăsăm în mod obișnuit considerentele noastre legate de alimentarea cu energie electrică, luând un bloc schematic prefabricat despre care știm că funcționează deja. La urma urmei, ne dorim doar ieșirea noastră de 5V, nu? Se pare că se întâmplă mult mai multe sub capotă.

Surse de alimentare de la 10.000 de picioare

Majoritatea surselor de alimentare vor prelua alimentarea de la rețeaua de curent alternativ și o vor transforma într-un curent continuu utilizabil pentru utilizare în dispozitive electronice. În timpul acestui proces, o sursă de alimentare ocupă o serie de roluri, inclusiv:

  • Transformarea AC dintr-o rețea de alimentare într-un DC constant
  • Prevenirea oricărui CA de a interfera cu o ieșire de alimentare DC
  • Menținerea tensiunilor de ieșire la un nivel constant, indiferent de modificările tensiunilor de intrare

Pentru ca toată această conversie să aibă loc, o sursă de alimentare tipică va utiliza mai multe componente comune, inclusiv un transformator, redresor, filtru și regulator.

Procesul de conversie AC-DC începe cu un curent alternativ care provine de la o priză de perete sub formă de undă sinusoidală. Această formă de undă alternează între tensiunile negative și pozitive de până la șaizeci de ori pe secundă.

alimentare

O formă de undă sinusoidală de curent alternativ. (Sursa imaginii)

Tensiunea de curent alternativ este redusă mai întâi de un transformator pentru a satisface cerințele de tensiune ale sarcinii de alimentare. Odată ce tensiunea este redusă, un redresor va transforma forma de undă AC sinusoidală într-un set de jgheaburi și creste pozitive.

Rectificarea elimină partea negativă a unei forme de undă AC, lăsând doar o ieșire pozitivă. (Sursa imaginii)

În acest moment, există încă o oscilație în forma de undă de curent alternativ, astfel încât un filtru este utilizat pentru a netezi tensiunea de curent alternativ într-o sursă de curent continuu utilizabilă.

Aplicarea unui filtru cu un condensator de rezervor elimină crestele și jgheaburile agresive din forma noastră de undă. (Sursa imaginii)

Acum, când AC-ul a fost transformat în DC utilizabil, unele surse de alimentare vor elimina în continuare orice undă din forma de undă cu ajutorul unui regulator. Acest regulator va oferi o ieșire continuă DC, indiferent de modificările care se întâmplă la tensiunea de intrare AC.

Acesta este procesul dintr-o privire. Indiferent de ce sursă de alimentare vă uitați, acesta va avea întotdeauna cel puțin trei componente principale - un transformator, redresor și filtru. Regulatoarele pot sau nu să fie utilizate în funcție de dacă sursa de alimentare este nereglementată sau reglementată (mai multe despre aceasta mai târziu).

Componentele sursei de alimentare în detaliu

Transformator

Ca prima linie de apărare, transformatorul are sarcina de a coborî curentul alternativ de intrare de la o sursă de alimentare într-un nivel de tensiune pe care încărcarea sursei de alimentare o poate suporta. Transformatoarele pot crește și tensiunile, dar pentru acest articol ne vom concentra asupra celor care reduc tensiunea pentru dispozitivele electronice de curent continuu de joasă tensiune.

În cadrul unui transformator sunt două înfășurări ale unei bobine, ambele separate fizic una de cealaltă. Prima înfășurare preia curent alternativ de la o rețea de alimentare și apoi se cuplează electromagnetic cu a doua înfășurare pentru a conduce o tensiune alternativă necesară în înfășurarea secundară. Menținând aceste două înfășurări separate fizic, un transformator poate izola o tensiune de rețea alternativă de la ieșirea circuitului de alimentare.

Cele două bobine separate fizic într-un transformator conduc prin cuplaj electromagnetic. (Sursa imaginii)

Redresor

Odată ce AC a fost demis de un transformator, este apoi sarcina redresorului să convertească o formă de undă AC într-un format DC brut. Acest lucru este realizat fie de una, fie de un set de diode într-o configurație Half Wave, Full Wave sau Bridge Rectification.

Rectificare pe jumătate de val

În această configurație, o singură diodă redresoare este utilizată pentru a extrage o tensiune continuă din jumătatea unui ciclu de formă de undă AC. Acest lucru lasă sursa de alimentare cu jumătate din tensiunea de ieșire pe care ar obține-o de la o formă de undă AC completă la Vpk x 0,318. Half Wave este cea mai ieftină configurație de proiectat, este ideală pentru utilizări neexigente de energie și, de obicei, va lăsa cea mai mare cantitate de ondulație într-o tensiune de ieșire.

Redresare pe jumătate de undă într-un circuit și formă de undă de ieșire. (Sursa imaginii)

Rectificare Full Wave

În această configurație, două diode redresoare sunt utilizate pentru a extrage două semicicluri ale unei forme de undă de curent alternativ. Acest proces va furniza o tensiune de ieșire dublă a rectificării pe jumătate de undă la Vpk x 0,637. În timp ce această configurație este mai costisitoare de proiectat decât Half Wave, deoarece necesită un transformator centralizat, are avantajul suplimentar al netezirii îmbunătățite a ondulărilor de curent alternativ.

Rectificare completă a undelor într-un circuit și formă de undă de ieșire. (Sursa imaginii)

Rectificarea podului

Această configurație utilizează patru diode dispuse într-o punte pentru a realiza rectificarea completă a undelor fără a necesita un transformator central. Aceasta va oferi aceeași tensiune de ieșire ca Full Wave la Vpk x 0,637 cu diode care necesită doar jumătate din tensiunea lor de avarie inversă. În timpul fiecărei jumătăți de ciclu se desfășoară două diode opuse, care oferă o formă de undă AC completă la sfârșitul unui ciclu complet.

Rectificarea podului într-un circuit și o formă de undă de ieșire, la fel ca Full Wave. (Sursa imaginii)

Filtru

Acum, când ne-am transformat tensiunea de curent alternativ, este treaba unui filtru să îndepărteze orice ondulații de curent alternativ din tensiunea de ieșire, lăsând o tensiune continuă DC. De ce să elimini undele? Dacă trec în ieșirea sursei de alimentare, vă pot deteriora sarcina și vă pot distruge întregul circuit. Există două componente de bază utilizate în filtre, un condensator de rezervor și un filtru trece jos.

Condensator rezervor

Un condensator electrolitic de mare capacitate este utilizat pentru a stoca temporar un curent de ieșire furnizat de o diodă redresoare. Când este încărcat, acest condensator va fi capabil să furnizeze curent de ieșire DC în timpul golurilor în timp când o diodă redresoare nu conduce. Acest lucru permite sursei de alimentare să mențină o ieșire continuă continuă pe parcursul ciclurilor de pornire/oprire a unei surse de alimentare.

Aici puteți vedea diferența într-un semnal de ieșire cu și fără capac de rezervor. (Sursa imaginii)

Filtru trece jos

Puteți realiza un circuit de alimentare cu doar un condensator de rezervor, dar adăugarea unui filtru trece jos elimină în continuare ondulațiile de curent alternativ care îl fac prin condensatorul rezervorului. În majoritatea surselor de alimentare de bază nu veți găsi filtre cu trecere joasă utilizate, deoarece necesită inductori de miez laminat sau toroidal scump. Cu toate acestea, în electronica modernă cu consumabile în modul comutator, veți găsi filtre de trecere joasă folosite pentru a elimina undele de curent alternativ la frecvențe mai mari.

Când adăugați împreună un condensator de rezervor și un filtru de trecere jos într-un circuit de alimentare, veți putea elimina 95% + din undele de curent alternativ. Acest lucru vă va permite să mențineți o tensiune de ieșire constantă și curată, care se potrivește cu vârful undei de intrare AC originale.

Regulator

În sursele de alimentare reglementate, se va adăuga un regulator pentru a netezi mai mult tensiunea continuă și pentru a oferi o ieșire consistentă, indiferent de variațiile nivelurilor de intrare. Cu această reglementare îmbunătățită vine, de asemenea, complexitate și costuri suplimentare pentru alimentarea unui circuit. Veți găsi regulatoare în două configurații diferite, fie ca regulator de șunt, fie ca regulator de serie.

Regulator de șunt

În această configurație, un regulator este conectat în paralel cu o sarcină, ceea ce asigură că curentul curge prin regulator în orice moment înainte de a atinge sarcina. Dacă curentul de sarcină crește sau scade, regulatorul de șunt fie își va reduce, fie își va crește curentul pentru a menține o tensiune și un curent de alimentare constante.

Regulatoarele de șunt sunt conectate în paralel cu o sarcină. (Sursa imaginii)

Regulator de serie

În această configurație, un regulator de serie este conectat în serie cu o sarcină, care oferă o rezistență variabilă. Acest regulator va testa în mod constant o tensiune de încărcare primită folosind un sistem de feedback negativ. Dacă eșantionul de tensiune crește sau scade, atunci regulatorul de serie fie va scădea, fie își va crește rezistența, permițând să curgă mai mult sau mai puțin curent prin sarcină.

Regulatoarele din serie adaugă o rezistență variabilă la curentul de control. (Sursa imaginii)

Tipuri de surse de alimentare

Sursele de alimentare tipice AC-DC vor utiliza unele sau toate componentele de mai sus în circuitele sale ca sursă de alimentare nereglementată sau reglementată. Ce tip de sursă de alimentare utilizați în proiectul dvs. electronic se reduce la cerințele unice ale designului dumneavoastră.

Surse de alimentare nereglementate

Aceste surse de alimentare nu au un regulator de tensiune și vor produce doar o tensiune setată la un curent maxim de ieșire. Aici, ieșirea de tensiune continuă este legată de un transformator de tensiune internă, iar tensiunea de ieșire va crește sau scădea în funcție de ieșirea curentă a sarcinii. Aceste surse de alimentare sunt cunoscute pentru că sunt durabile și ieftine, dar nu oferă suficientă precizie pentru dispozitivele electronice sensibile la energie.

Sursele de alimentare nereglementate conțin toate componentele comune, cu excepția unui regulator.

Surse de alimentare reglementate

Sursele de alimentare reglementate includ toate componentele de bază găsite într-o sursă de alimentare nereglementată cu adăugarea unui regulator de tensiune. Există trei configurații ale sursei de alimentare ale regulatorului de menționat:

Alimentare liniară . Această configurație utilizează un tranzistor semiconductor sau FET pentru a controla tensiunile de ieșire într-un interval specific. Deși aceste surse de alimentare nu sunt cele mai eficiente și generează multă căldură, sunt cunoscute pentru fiabilitatea lor, zgomotul electric minim și disponibilitatea comercială largă.

Un circuit liniar tipic de alimentare. (Sursa imaginii)

Sursă de alimentare cu modul de comutare . Această configurație utilizează un tranzistor semiconductor sau FET care pornește/oprește pentru a alimenta tensiunea unui condensator de rezervor de ieșire. Modurile de comutare sunt de obicei mai mici și mai ușoare decât sursele de alimentare liniare, oferă o gamă mare de ieșire și sunt mai eficiente. Cu toate acestea, acestea necesită circuite complexe, generează mai mult zgomot și necesită atenuarea interferențelor pentru operațiunile lor de înaltă frecvență.

Aici putem vedea complexitatea adăugată într-un circuit de comutare. (Sursa imaginii)

Alimentare cu baterie . Această configurație acționează ca stocare a energiei și va oferi un flux constant de curent continuu către un dispozitiv electronic. Comparativ cu sursele de alimentare liniare și cu comutare, bateriile sunt metoda cea mai puțin eficientă pentru alimentarea dispozitivelor și sunt, de asemenea, dificil de asortat cu tensiunea corectă într-o sarcină. Cu toate acestea, bateriile au avantajul de a furniza o sursă de alimentare atunci când rețeaua de curent alternativ nu este disponibilă și nu produc zgomot electric.

Când luați în considerare ce sursă de alimentare să utilizați pentru următorul dvs. proiect de electronică, iată următoarele avantaje și dezavantaje pentru sursele de alimentare nereglementate și reglementate:

  • Circuite simple
  • Fiabile și rentabile

  • Tensiune constantă
  • Calitate superioara
  • Filtrare mai bună a zgomotului
  • Tensiune/curent de ieșire reglabil

Atunci când decideți între surse de alimentare liniare, de comutare sau surse de alimentare reglementate de baterie, luați în considerare următoarele:

  • Stabil și fiabil
  • Mai puțin zgomot electric
  • Reglare bună a liniei și a sarcinii

  • De dimensiuni mici și mai ușoare
  • Gama largă de tensiune de intrare
  • Eficiență ridicată
  • Mai puțin costisitor comparativ cu liniar

  • Nu necesită acces la rețeaua de curent alternativ
  • Sursă de alimentare portabilă

Specificațiile sursei de alimentare de aflat

Atunci când optați pentru un circuit de alimentare pre-fabricat în loc să vă proiectați propriul, există mai multe specificații de aflat. Acestea includ:

  • Curent de ieșire . Acesta este curentul maxim pe care alimentatorul îl poate furniza unei sarcini.
  • Regulator de sarcină . Aceasta definește cât de bine un regulator poate menține o ieșire consistentă cu o schimbare a curentului de sarcină, de obicei măsurată în milivolți (mV) sau tensiunea maximă de ieșire.
  • Noise & Ripple . Acestea măsoară interferențele electronice nedorite și variațiile de tensiune din conversia AC-DC, măsurate de obicei în tensiunea de vârf în vârf pentru comutarea surselor de alimentare.
  • Protecție la suprasarcină . Aceasta este o caracteristică de siguranță care va opri o sursă de alimentare în caz de scurtcircuit sau supracurent.
  • Eficienţă . Acesta este raportul de putere convertit de la rețeaua de curent alternativ la curent continuu. Sistemele de înaltă eficiență, cum ar fi sursele de alimentare cu comutare, pot atinge un randament de 80% și vor reduce căldura și vor economisi energie.

Conversie consecventă

Sursele de alimentare asigură o bază consistentă de energie în toate dispozitivele noastre electronice, indiferent dacă este computerul, smartphone-ul sau televizorul dvs., lista poate continua. Indiferent de tipul de sursă de alimentare pe care îl utilizați sau proiectați, toate includ mai multe componente de bază pentru a converti rețeaua de curent alternativ într-un curent continuu constant (DC). Un transformator descrește mai întâi o tensiune, care apoi este rectificată într-un format DC brut. Acesta este apoi filtrat și reglat pentru a oferi o tensiune continuă DC pentru o ieșire consistentă. Când vă proiectați propriul circuit de alimentare, așteptați-vă să utilizați aceste componente principale împreună cu specificațiile unice de alimentare pentru proiectarea dvs. pentru a oferi o ieșire continuă continuă la toate orele zilei.

Aveți nevoie de un conector de alimentare pentru viitorul dvs. proiect de electronică? Vă oferim o mulțime de biblioteci gratuite! Încercați Autodesk EAGLE gratuit astăzi!