Какими бывают источники питания?

Преимущества и недостатки импульсного и линейного источника света

Линейные решения дешевы и просты. Это наиболее привлекательный аспект данной технологии. Поэтому производители освещения с большим энтузиазмом используют линейные драйверы светодиодов в своих продуктах, когда это возможно. В общем, линейные драйверы светодиодов могут быть отличным решением для систем освещения, где качество света не является главным приоритетом, а стоимость осветительной продукции сильно обеспокоена.

Отсутствие электромагнитного излучения является одним из важных технических преимуществ линейных драйверов светодиодов. Эта функция решает проблемы, с которыми сталкиваются в области медицинского, авиационного и автомобильного освещения, где требования очень высоки.

Линейные драйверы светодиодов по своей сути более надежны, чем драйверы светодиодов, в которых используются электролитические конденсаторы для поглощения скачков напряжения, которые могут присутствовать в линии переменного тока. Электролитические конденсаторы склонны к преждевременному выходу из строя при высоких температурах окружающей среды, что снижает надежность схемы. Линейные драйверы светодиодов не используют это устройство накопления энергии, вместо этого они используют микросхемы твердотельных драйверов для регулирования нагрузки.

Большинство линейных светодиодных драйверов работают с устаревшими симисторными диммерами без использования дополнительных схем диммирования. Эти драйверы не содержат реактивных компонентов, таких как катушки и конденсаторы, которые создают реактивную нагрузку на резистивный диммер и, таким образом, вызывают несовместимость.

Проблемы дизайна

Несмотря на все преимущества, которые дает управление светодиодами с использованием линейных регуляторов, конструкция линейного драйвера светодиода или светового двигателя предполагает множество компромиссов. Красота этой технологии заключается в ее простоте. Когда требуется больше функций, требуется более высокое качество освещения или строгое соблюдение кодов обязательно, технология линейных драйверов теряет свою славу. Преимущества линейных светодиодных драйверов достигаются ценой многих жертв.

Электрическая безопасность

В импульсных источниках питания можно установить высокочастотный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, чтобы блокировать опасно высокие напряжения. С другой стороны, линейные драйверы светодиодов имеют путь пробоя высокого напряжения через схему управления. Светодиодная лампа, мощность которой регулируется линейным драйвером светодиода, зависит от изоляционных свойств ее корпуса, что является серьезной проблемой для безопасности.

КПД и рассеивание тепла

Работа светодиодной матрицы с линейными драйверами светодиодов означает, что всегда есть падение напряжения. Большое падение напряжения означает не только низкий КПД, но и повышенную тепловую нагрузку на систему освещения, поскольку избыточная электрическая мощность рассеивается в виде тепла. В результате система светодиодного освещения, работающая в этом режиме, влечет за собой дополнительную теплоемкость для приема теплового потока от схемы драйвера.

Мерцание

В схеме линейного регулирования нагрузка, подаваемая на светодиоды, по существу является промежуточным напряжением постоянного тока, которое было бы в системе светодиодного освещения. Остаточная форма волны переменного тока может появиться на выходе в виде вариаций или пульсаций. Остаточная пульсация после каскада выпрямитель-фильтр вызывает мерцание, что значительно ухудшает качество света.

Фактор силы

Чтобы сгладить сильные пульсации тока, можно использовать большой конденсатор на первичной стороне. Однако это может снизить требования к коэффициенту мощности, поскольку реактивная мощность, потребляемая устройством накопления энергии, искажает форму волны выпрямленного тока первичной стороны. На коэффициент мощности также может влиять нерезистивное диммирование. Светодиодные лампы с номинальной мощностью более 5 Вт должны иметь минимальный коэффициент мощности 0,7, а коэффициент мощности всех светодиодных источников питания мощностью более 25 Вт должен быть более 0,9. Часто проектировщикам светильников приходится делать сложный выбор между контролем мерцания и соответствием.

Параметры тока

Амперметр

Очень важной количественной характеристикой тока является сила тока

(величина тока ), или простоток , — скалярная физическая величина, равная величине заряда, который проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Но термин «сила тока» не следует воспринимать, как проявление силы

в буквальном смысле. В проводниках нет силы. Там есть только движение электрических зарядов.

Если за время t

через проводник сечениемS протекаетQ зарядов, то величина тока выражается формулой

I= Q/t Единица измерения величины тока в системе СИ — ампер (А). Ток в проводнике равен 1 амперу, если за 1 секунду через проводник протекает заряд величиной в 1 кулон. Измеряют силу тока прибором, который называется амперметром. Он включается последовательно в электрическую цепь.

Для постоянного тока в единицу времени через любое поперечное сечение протекает одинаковое количество электрических зарядов.

Величина, равная отношению силы тока I

к площади поперечного сечения проводникаS , называетсяплотностью тока . В системе СИ плотность тока измеряется в А/м2. Конечно, практически невозможно найти проводник с диаметром сечения, равным квадратному метру. По этой причине силу тока принято измерять в А/мм2.

j= I/S Любой проводник противодействует протеканию по нему электрических зарядов

Поэтому величина тока в проводнике зависит от другой важной величины, называемой сопротивлением. Это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока

Она обозначается буквойR и определяется по формуле:

. Это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Она обозначается буквойR и определяется по формуле:

R=UI ,

где U

– напряжение, или разность электрических потенциалов, на концах проводника;

I

– сила тока, протекающего между концами проводника.

В систем СИ единицей измерения сопротивления является ом

Разные материалы по-разному сопротивляются движению тока. Поэтому сопротивление проводника зависит от вещества, из которого он сделан, его длины и сечения.

R = ρ ˑ l /S

где ρ

– удельное электрическое сопротивление проводника, его способность препятствовать прохождению электрического тока;

l – длина проводника;

S

— площадь поперечного сечения проводника.

Каждый источник постоянного электрического тока создаёт стороннее электрическое поле

, совершающее работу по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц и перемещению их в электрической цепи. Эту работу производят любые силы не электрического происхождения, которые действуют внутри источника. Они называютсясторонними силами . Возникают эти силы по разным причинам. Например, в гальваническом элементе они появляются в результате химических реакций, а в генераторах постоянного тока – при движении проводника в магнитном поле.

Величина, численно равная работе, которую выполняют сторонние силы, перенося единицу положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой

(ЭДС).

где Е

– ЭДС;А – работа, совершаемая источником по переносу заряда величинойQ .

Единицей измерения ЭДС в системе СИ является вольт

(v,V ). ЭДС источника тока равна 1 вольту, если при перемещении заряда, равного 1 кулону, совершается работа в 1 джоуль.

Перенося электрический заряд, источник тока совершает работу А0 по внутреннему участку (внутри себя самого) и работу А1 по внешнему участку электрической цепи. Поэтому полная работа А = А0 + А1

. Разделив обе части уравнения наQ, получим Величина AQ

называетсяпадением напряжения на внутреннем участке цепи (U ), аA1Q — падением напряжения на внешнем участке цепи (U1 ).

A=U+U1 , аU1= А –U. Величина, равная произведению тока на напряжение, называется мощностью

. Единица измерения мощности –ватт .

P=IU=I2R=U2R Если в электрической цепи есть источник ЭДС, то P=Iˑε , гдеε – ЭДС.

Источники электрической энергии.

Из самого названия можно догадаться, какую роль играют в электроэнергетике эти устройства, но все же я объясню. Источник электрической энергии — устройство, механизм от которого потребители получают электрическую энергию по средству передаточных устройств. Не имеет значения какого рода тока является этот источник, а также электрическая энергия является генерируемой или запасенной. Источниками электрической энергии могут быть: все виды и типы генераторов, вторичные обмотки трансформаторов и автотрансформаторов, различные гальванические элементы, аккумуляторные батареи, солнечные батареи, различные пьезо элементы и даже грозовой разряд (молния) является источником электрической энергии.

Как видите существует множество видов источников электрической энергии, что способствует широкому распространению электрической энергии.

Источники электрической энергии. Внешняя характеристика

В цепях переменного тока, также как в цепях постоянного, должны действовать источники электрической энергии. Отличие этих источников заключается лишь в том, что создаваемые ими ЭДС или токи являются синусоидальными функциями времени.

Источники делятся на идеальные и реальные. У идеальных источников отсутствует внутреннее сопротивление или проводимость. Создаваемые ими ЭДС или ток определяются только параметрами источника. В электрической цепи с идеальными источниками величина тока через источник ЭДС или напряжение на источнике тока определяются нагрузкой.

На электрических схемах они изображаются точно также как источники постоянного тока, но стрелки в условном обозначении указывают направление принятое за положительное.

Реальные источники электрической энергии имеют внутреннее сопротивление Z или проводимость Y (рис. 1). Однако на переменном токе эти величины в общем случае являются комплексными.

Также как на постоянном токе, реальный источник может быть представлен двумя эквивалентными схемами с источником ЭДС или с источником тока. Внутреннее сопротивление, проводимость и параметры источников связаны между собой отношениями

Y = 1/Z ; J = E/Z ; E = J/Y,

(1)

формально идентичными соответствующим выражениям для источников постоянного тока. ЭДС и ток внутренних источников соответствуют напряжению на выходе в режиме холостого хода и току в режиме короткого замыкания.

Для источников переменного тока невозможно построить вольтамперную характеристику. Ее роль играет внешняя характеристика, т.е зависимость действующего значения напряжения на выходе источника от величины действующего значения тока в нагрузке, при постоянном значении угла сдвига фаз в нагрузке j_н.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из реального источника и нагрузки общего вида (рис. 2). Ток в нагрузке по закону Ома можно определить из выражения

.

(2)

Отсюда, падение напряжения в нагрузке

,

(3)

где — комплексное относительное сопротивление нагрузки.

Падение напряжения в нагрузке можно представить в относительных единицах, если выбрать в качестве базовой величины ЭДС источника. Тогда комплексное относительное напряжение в нагрузке из выражения (3) будет —

.

(4)

Ток в цепи также можно представить в относительных единицах, если в качестве базовой величины выбрать ток короткого замыкания источника I_кз=E/Z_s . Отсюда комплексный относительный ток —

.

(5)

Модуль комплексного относительного тока или просто относительный ток можно получить, определив модуль знаменателя выражения (5) из выражения для комплексного относительного сопротивления, в виде

.

(6)

Из выражения (2) с учетом (6) относительное напряжение в нагрузке будет

.

(7)

Выражения (6) и (7) позволяют построить внешнюю характеристику источника электрической энергии в относительных единицах, если в них принять в качестве переменной модуль комплексного относительного сопротивления нагрузки z , при условии постоянства его аргумента d .

Внешние характеристики для относительного сопротивления нагрузки, изменяющегося в пределах 0

Для относительного тока i условие i > 1.0 сводится к условию , а для относительного напряжения u — к условию — . Отсюда для тока и напряжения получим соответственно условия

и	(8)
.	(9)

Так как 0 p /2, если же это условие выполнено, то всегда найдутся такие значения z , при которых эти выражения будут справедливыми. Это означает, что внешняя характеристика будет иметь участки, на которых напряжение в нагрузке превышает ЭДС источника и ток в нагрузке превышает ток короткого замыкания.

Аргумент комплексного относительного сопротивления d представляет разность j _н-j _s Но т.к. обе величины по абсолютному значению меньше p /2, то условие |d | > p /2 может быть выполнено только, если реактивные составляющие комплексных сопротивлений нагрузки и источника имеют противоположные знаки.

Таким образом, из выражений (8) и (9) можно определить диапазоны относительных сопротивлений, при которых относительный ток и напряжение будут больше единицы в виде

Четыре вида преобразователей

Основное различие между источниками питания сварочной дуги, определяющее их технические характеристики, массу, габариты и сферу применения — это различия по принципу преобразования электротока.

Существуют следующие виды источников:

• трансформаторы;
• выпрямители;
• преобразователи;
• инверторы.

Особняком стоят генераторы, так называемые агрегаты. Эти машины — не вторичные, а первичные источники энергии, они не преобразуют тем или иным способом питание от городской или промышленной сети, а вырабатывают его сами.

Как правило, агрегаты строятся на базе двигателя внутреннего сгорания — бензинового или дизельного. Первые — дешевле, вторые имеют большую мощность и моторесурс.

Классификация

Общепринята градация блоков питания по нескольким признакам, обусловленным электромеханическими свойствами источников электротока. Начинающим сварщикам достаточно знать основные критерии классификации:

Для питания сварочной дуги возможно два способа получения рабочего тока:

• преобразованием энергии из силовой электросети (выделяют однофазные и трехфазные сварочники);
• генерацией электричества рабочих параметров из другого вида энергии.

Группировка по виду вырабатываемого тока:

• переменного;
• комбинированные, которые можно переключать с постоянного на переменный и наоборот;
• постоянного.

Способ преобразования электричества: изменением вольтажа и ампеража, выпрямлением – переменный ток преобразуется в постоянный.

Мобильность источников, питание дуги бывает стационарным (подключение к магистральным электросетям) и автономным (использование переносных генераторов или аккумуляторов).

Способ регулировки рабочих параметров дуги (напряжения, ампеража). В трансформаторах меняется число задействованных витков: положением шунта, подвижностью катушки, секционированием вторичной обмотки.

Градация источников питания по внешним характеристикам тока сварочной дуги – это оценка зависимости среднего напряжения на контактах (держателе электрода и клемме, закрепляемой на металле) от ампеража. Параметры вольт-амперной характеристики оборудования бывают двух видов:

• Падающая ВАХ характеризуется высоким напряжением холостого хода, превышающим рабочее до 2,5 раз.
• Жесткая отличается стабильностью напряжения на клеммах в процессе сварки. Ампераж короткого замыкания превышает номинальный сварочный в 2 или 3 раза.

Марганцово-цинковые, воздушные марганцово-цинковые и ртутно-цинковые элементы.

Наибольшее распространение получили сухие марганцово-цинковые элементы. Их выпускают в двух модификациях: стаканчиковые и галетные. Положительным электродом марганцово-цинковых элементов является агломерат, состоящий из смеси двуокиси марганца Мп02 и графита, пропитанных раствором нашатыря, а отрицательным — металлический цинк Zn. В качестве электролита используют раствор хлористого аммония NH4CI в виде пасты.
Такая конструкция галетного марганцово-цинкового элемента (рис. 201) удобна для последовательного соединения элементов, получения более высоких напряжений. Для этого элементы накладывают друг на друга таким образом, чтобы выступ положительного электрода одного элемента плотно соприкасался с верхним токопроводящим слоем следующего элемента. Промышленность выпускает сухие элементы марганцово-цинковой системы трех типов, которые могут работать при различных температурах окружающей среды: летние — от +17 до  60 °С; холодостойкие — от —40 до +40 °С; универсальные — от —40 до +60 °С.

Рис. 201. Галетный элемент:
1 — положительный электрод из агломератной массы; 2 — тонкая бумажная прокладка; 3 — картонная диафрагма с электролитом; 4 — электрод; 5— токопроводящий слой; 6 — чехол; 7 — выступ

Рис. 202. Марганцовоцинковый элемент с солевым электролитом

В сухих воздушномарганцовоцинковых элементах в состав агломерата. кроме перекиси марганца и графита, добавляют активированный уголь, который способен адсорбировать (поглощать) из воздуха кислород. Поэтому в этих элементах деполяризация происходит интенсивнее. Газовая камера воздушномарганцовоцинковых элементов сообщается с наружным воздухом через специальное отверстие. У неработающих элементов эти отверстия должны быть закрыты пробками, что предохраняет агломерат от высыхания. Во время работы пробки следует открыть.
Рис. 203. Общий вид герметичных марганцово-цинковых элементов с щелочным электролитом типов МЦ-4К (а), МЦ-3К (б), MЦ-2K (в), МЦ-1К (г)
В марганцово-цинковом элементе (рис 202) с солевым электролитом в качестве положительного электрода использован агломерат из двуокиси марганца и углеродистых материалов, напрессованных на угольный стержень 5. Отрицательный электрод 6 выполнен из цинка и имеет форму стакана. Картонная шайба 7 служит для изоляции электродов. Носителем электролита является диафрагма 4 из кабельной бумаги, пропитанной солевым электролитом и нанесенным на нее тонким слоем насты. Элемент заливают изоляционной смесью 2. Для подключения внешней цепи на угольный электрод насажен металлический колпачок 1. При изготовлении таких элементов применяют новую технологию, позволяющую увеличить рабочую поверхность положительного электрода и улучшить электрические характеристики без увеличения габаритных размеров.
Положительным электродом у герметичных марганцово-цинковых элементов с щелочным электролитом (рис 203) служит смесь двуокиси марганца с графитом, а отрицательным — амальгамированный порошкообразный цинк Между электродами имеется сепаратор, состоящий из нескольких слоев высокопористого картона, пропитанного раствором едкого калия, насыщенным цинком. Применение щелочного электролита в элементах повышает коэффициент использования двуокиси марганца и уменьшает поляризацию электродов
Рис. 204. Конструкция ртутно-цинкового элемента:
1 —  крышки, 2  —  отрицательный электрод (цинковые опилки), 3 —  корпус, 4 — положительный электрод, 5  — резиновое кольцо; 6  — сепаратор на фильтровальной бумаги,     7  — диафрагма из фильтровальной бумаги

Конструкции ртутно-цинкового элемента (рис. 204) аналогична конструкции марганцово-цинковых элементов с щелочным электролитом. Активная масса положительного электрода состоит из смеси красной окиси ртути и графита, отрицательного электрода — из амальгамированного цинкового порошка, содержащего 5- 10% металлической ртути
В качестве электролита используют раствор едкого кали плотностью 1,4 г/см, насыщенный окисью цинка В основном электролит заключен в порах электродов и сепаратора из фильтровальной бумаги Э д. с ртутно-цинковых элементов (РЦ53, РЦ55, РЦ53Х и др.) равна 1.36 В и мало меняется в процессе разряда, разрядный ток от 0,1 до 300 мА. Недостатками ртутно-цинковых элементов являются высокая стоимость и плохая работоспособность при отрицательной температуре.

• << Назад

• Вперёд >>

Источник питания постоянного тока

Современные программируемые источники питания постоянного тока

являются высоко стабилизированными устройствами, которые способны работать непрерывно и в режиме постоянного тока (DC – Direct Current), и в режиме постоянного напряжения (DCV – Direct Current Voltage). В процессе работы они в рамках своего диапазона полностью имитируют поведение источника тока либо напряжения.

Назначение источников питания – обеспечивать электронную аппаратуру электрическим питанием в точном соответствии как с техническими требованиями, так и со стандартами безопасности.

Не следует источники питания постоянного тока путать с разного рода блоками питания. Последние только преобразуют напряжение сети в фиксированное выходное и стабилизации при этом никакой не имеют. А вот источники питания постоянного тока, как отмечено выше, обеспечивают получение высокостабильного постоянного тока/напряжения.

Режимы стабилизации

Различают так называемые режимы стабилизации источника постоянного тока:

• по напряжению;
• по току.

Режим стабилизации по напряжению.

Если ток в нагрузке изменяется от нуля до максимума, нестабильность напряжения в источниках постоянного тока при этом минимальна.

Режим стабилизации по току.

Аналогично стабилизации по напряжению, когда в процессе работы источника изменяется напряжение в нагрузке, поддерживается заданное значение тока.

Классификация

Источники питания классифицируют по нескольким параметрам, а именно по:

• принципу действия;
• мощности;
• количеству каналов;
• минимальной дискретности установки выходных параметров;
• наличию дополнительных возможностей.

Принцип действия

Различают линейные и импульсные источники питания.

Линейные источники питания.

В основе их построения – классическая схема с использованием мощного сетевого трансформатора и схемы регулирования. Для таких источников питания характерны как плюсы (низкий уровень излучаемых помех), так и минусы (большая масса из-за наличия трансформатора, малая удельная мощность).

Импульсные источники питания.

В основе их построения – преобразование напряжения сети в достаточно высокочастотный переменный ток (около 2 МГц) и дальнейшее трансформирование и регулирование.

К преимуществам импульсных источников питания перед линейными относятся следующие:

• меньшие размер и масса. Это объясняется работой трансформаторов таких источников на частотах, значительно превышающих 50 Гц;
• удельная мощность значительно выше.

Минусом импульсных источников тока можно назвать лишь выше, чем у линейных, уровень излучаемых помех. Но в настоящее время, когда во всех сферах наблюдается стремление к миниатюризации, импульсные источники более широко распространены.

Управляемая мощность

Различают источники питания:

• малой мощности – на один канал до 100 Вт;
• средней мощности – на один канал до 300 Вт;
• большой мощности – на один свыше 300 Вт.

Количество каналов

Для современных источников питания характерно наличие нескольких каналов, то есть может быть один, два, три или даже четыре регулируемых выхода.

Два из них чаще всего являются основными. Органами передней панели они могут соединяться:

• последовательно – с целью увеличения выходного напряжения;
• параллельно – с целью увеличения максимального тока.

Минимальная дискретность установки выходных параметров

Как отмечено выше, для большинства современных источников питания характерны показатели нестабильности выходного напряжения и тока до 3 мВ и 3 мА соответственно. В таком случае дискретность установки (непрерывность) для выходного напряжения – 10 мВ, тока – 10 мА.

Однако иногда (например, в особо прецизионных исследованиях) требуются источники питания с меньшим показателем дискретности установки: 1 мВ – для выходного напряжения, 1 мА – для тока. И тогда значения нестабильности уже соответственно будут: 350 мкВ – для выходного напряжения, 250 мкА – для тока.

Дополнительные возможности

В качестве примеров дополнительных возможностей источников питания можно назвать:

• встроенный управляющий микроконтроллер, благодаря которому значительно расширяются возможности разработчиков;
• немалое (например, до 100) число ячеек памяти, где записаны режимы работы и выходные параметры;
• возможность записи времени, используемая с целью имитации медленной флуктуации (колебания, изменения) источника питания, а также чтобы изучить поведение разрабатываемого (тестируемого) устройства;
• возможность мгновенного изменения по заданной программе напряжения питания либо тока с целью исследовать, как устройство реагирует на существенное изменение параметров питания, и др.