na 2024/08/28 297

Lineárne napájacie zdroje

Vo svete elektroniky sú napájacie zdroje zariadenia, ktoré zaisťujú, že všetko beží hladko a správne.Medzi rôznymi dostupnými typmi sú známe lineárne napájacie zdroje poskytovaním stabilného a spoľahlivého toku elektriny s veľmi malým hlukom.Tento článok vysvetlí, ako fungujú lineárne zdroje energie, z ktorých častí sú vyrobené a kde sú najužitočnejšie.Budeme ich tiež porovnávať s inými typmi zdrojov energie, čo vám pomôžeme pochopiť, prečo sú stále vybrané pre určité situácie, aj keď sú k dispozícii novšie a energeticky efektívnejšie možnosti.

Katalóg

Obrázok 1: lineárny zdroj napájania

Čo je lineárny napájací zdroj?

Lineárne napájanie je typ napájacieho zariadenia, ktoré poskytuje stabilný a konzistentný výstup napätia kontinuálnym nastavením odporu.Táto metóda sa vyhýba používaniu rýchleho prepínania, čo je jednoduchšie a ideálne na dodávanie čistej a spoľahlivej energie do rôznych elektronických zariadení.

Proces začína systémom spätnej väzby, ktorý neustále kontroluje výstupné napätie.Toto napätie sa porovnáva so nastaveným referenčným napätím pomocou diferenciálneho zosilňovača, obvodu, ktorý pomáha zabezpečiť presnosť.Ak sa výstupné napätie líši od referencie, zosilňovač generuje signál na korekciu rozdielu.Tento signál riadi časť nazývanú priechodový prvok, ktorý by mohol byť tranzistor alebo tranzistor efektu poľa (FET).Prvok priechodu funguje ako variabilný rezistor a upravuje jeho odpor, aby napätie udržal na správnej úrovni.

Napríklad, ak sa vstupné napätie zvyšuje, prvok priechodu zvyšuje jeho odpor, aby zabránil stúpaniu výstupného napätia.Na druhej strane, ak vstupné napätie klesá, prvok priechodu znižuje jeho odpor, aby umožnil väčší prúd, čím sa zabezpečí, že výstupné napätie zostane stabilné.

Toto nepretržité nastavenie zaisťuje, že napájanie dodáva konzistentné napätie, aj keď sa vstupné napätie alebo zaťaženie zmení.Jednoduchosť lineárneho napájacieho zdroja je spoľahlivým a vytvára veľmi malý elektrický šum, čo je užitočné pre zariadenia, ktoré potrebujú stabilnú energiu.Tento typ napájania je však vo všeobecnosti menej efektívny, pretože dodatočná energia sa uvoľňuje ako teplo, čo znamená, že by mohla potrebovať väčšie chladiace systémy a využívať viac energie.

Komponenty lineárneho napájania

Obrázok 2: Komponenty lineárneho napájacieho zdroja

Vstupný transformátor napájania

V lineárnom napájaní je transformátor prvou súčasťou, ktorý interaguje s striedavým výkonom zo siete.Jeho hlavnou úlohou je zmeňte napätie na úroveň, ktorá je vhodná pre zariadenie, buď jeho znížením (čo je bežnejšie) alebo jeho zvýšením, v závislosti od potrieb zariadenia.Transformátor tiež poskytuje ochranu oddelením napájacieho zdroja od siete, čím sa znižuje riziko elektrických nebezpečenstiev.V aplikáciách s vyšším výkonom môže byť transformátor pomerne veľký, čo zvyšuje celkovú veľkosť a hmotnosť zdroja energie.V závislosti od toho, ako je navrhnutý napájací zdroj, môže mať transformátor jeden alebo viac sekundárnych vinutí na výrobu rôznych výstupných napätí.

Usmerňovač

Akonáhle transformátor upraví napätie, striedavá energia sa musí previesť na DC napájanie, ktoré vykonáva usmerňovač.Usmerňovač je kľúčovou súčasťou napájacieho zdroja a je dodávaný v rôznych nastaveniach. Napravenie Používa jednu diódu na prevod iba polovicu striedavého cyklu na DC, čím je menej účinná a vytvára viac kolísaní na výstupe, ktoré sa ťažšie vyhladia. Rektifikácia s plnou vlnou je efektívnejší a používa obe polovice cyklu striedavého prúdu.To sa dá urobiť pomocou stredového transformátora a dvoma diódami alebo nastavením usmerňovača mostného usmerňovača, ktoré používa štyri diódy.Usmerňovač mostu sa častejšie používa v moderných dizajnoch, pretože je efektívnejší.Moderné usmerňovače zvyčajne používajú polovodičové diódy ako PN Junction Diodes alebo Schottky Diodes.Schottky Diodes sa často vyberajú, pretože pri prechádza prúdom prechádza menším napätím, čo ich robí efektívnejšími, hoci môžu umožniť uniknúť určitého prúdu a mať nižší prah napätia skôr, ako sa rozpadnú.

Vyhladzovací kondenzátor

Keď usmerňovač prevedie striedavicu na DC, výstup nie je dokonale hladký a obsahuje kolísanie napätia, ktoré nie sú žiaduce pre väčšinu elektronických obvodov.Hladenie kondenzátora pomáha Dokonca aj tieto výkyvy Nabíjaním sa počas vysokých bodov rektifikovaného tvaru vlny a uvoľňovania náboja, keď klesne tvar vlny.To pomáha Udržujte jednosmerné napätie stabilnejšie.Aj keď kondenzátor výrazne znižuje kolísanie, úplne ich neodstráni.Schopnosť kondenzátora redukovať tieto výkyvy závisí od jeho veľkosti a množstva prúdu, ktoré zaťaženie vyžaduje.

Regulátor napätia

Regulátor napätia je hlavnou súčasťou lineárneho napájacieho zdroja, ktorý zabezpečuje, aby výstupné napätie zostalo stabilné, aj keď sa zmení vstupné napätie alebo zaťaženie.Existujú dva hlavné typy lineárnych regulátorov: Regulátor a regulátor seriálu.

Regulátor skratu je menej častý a funguje tak, že umiestni premennú komponent cez zaťaženie, ktorá absorbuje ďalší prúd, aby udržal výstupné napätie stabilné.Tento typ regulátora sa používa, keď je potrebná presná kontrola napätia, aj keď to nemusí byť veľmi efektívne.Vďaka svojej nižšej účinnosti sa zvyčajne používa iba v konkrétnych situáciách.

Regulátor série je najpoužívanejším typom lineárneho regulátora.V tomto nastavení je v sérii umiestnený premenlivý odpor s zaťažením a riadiaci obvod nastavuje odpor na udržanie požadovaného výstupného napätia.Jednoduchosť a efektívnosť regulátora seriálu z neho robí populárnu voľbu pre mnoho návrhov lineárneho napájania.Poskytuje dobré riadenie napätia s relatívne jednoduchým dizajnom, vďaka čomu je vhodný pre širokú škálu použití.

Výhody a nevýhody lineárnych zdrojov

Výhody

Lineárne zdroje energie majú niekoľko výhod, najmä v situáciách, keď je potrebná stabilita a pokojná prevádzka.Jednou z hlavných výhod je, že vytvárajú veľmi malý hluk.Na rozdiel od prepínania napájacích zdrojov, ktoré rýchlo zapínajú a vypínajú prúd, lineárne napájacie zdroje udržujú prúd neustále prúdenie.Tento nedostatok rýchleho prepínania znamená, že nevytvárajú veľa elektromagnetického rušenia, čo z nich robí dobrú voľbu pre jemné elektronické zariadenia, ako sú zvukové systémy, zdravotnícke vybavenie a prístroje, ktoré si vyžadujú presné merania.

Ďalšou výhodou je ich spoľahlivý výkon.Lineárne napájacie zdroje sú už dlho a ich technológia je dobre známa a spoľahlivá.Pretože sa používajú toľko rokov, ich výkon je konzistentný a dobre pochopený.Inžinieri a dizajnéri sa môžu spoľahnúť na to, že tieto zásoby budú pracovať dôsledne, čo je veľmi užitočné v situáciách, keď je nevyhnutná spoľahlivosť.

Nevýhody

Lineárne napájacie zdroje však majú určité nevýhody, hlavne pokiaľ ide o to, ako dobre využívajú energiu a ich veľkosť.Jednou z najväčších nevýhod je ich nízka účinnosť.Tieto zásoby zvyčajne využívajú iba asi 50% vstupnej energie efektívne, pričom druhá polovica je zbytočná, zvyčajne ako teplo.Táto nízka účinnosť dochádza, pretože dodávka riadi napätie tým, že sa zbaví extra energie, čo stráca veľa energie.

Táto zbytočná energia vedie k ďalšiemu problému: tvorba tepla .Energia, ktorá sa nevyužíva, vytvára teplo, ktoré je potrebné zvládnuť, aby zabránilo poškodeniu napájania a pripojených zariadení.To často znamená pridať ďalšie diely, ako sú chladiace drezy alebo chladiace ventilátory, čo môže dizajn skomplikovať a zvýšiť náklady.

Nakoniec sú lineárne napájacie zdroje väčšie a ťažšie ako prepínanie napájacích zdrojov.Potrebujú veľké transformátory na zníženie napätia a ďalších častí na riadenie tepla, vďaka čomu sú tieto napájacie zdroje objemné.Môže to byť veľká nevýhoda v situáciách, keď je dôležitý priestor a hmotnosť, napríklad v prenosných alebo kompaktných zariadeniach.

Aplikácie lineárnych zdrojov

Obrázok 3: Aplikácie lineárnych napájacích zdrojov

Lineárne napájacie zdroje, hoci nie sú také energeticky efektívne ako ich prepínajúce náprotivky, sa často vyberajú pre konkrétne situácie, keď je potrebný výkonný výstup bez hluku.Tieto napájacie zdroje sú obzvlášť užitočné v prostrediach, kde je potrebný stabilný a čistý výkon bez prerušení, ktoré môžu byť dodávané s prepínaním napájacích zdrojov.

V audiovizuálnych zariadeniach sú lineárne napájacie zdroje veľmi užitočné pre vysoko kvalitné zvukové zosilňovače a citlivé zvukové zariadenia.Poskytujú hladký a stabilný výstup napätia, ktorý je dôležitý na udržanie nedotknutej kvality zvuku.Prepínanie napájacích zdrojov môže niekedy zaviesť hluk a špičky, ktoré môžu zasahovať do zvukových signálov, čo vedie k skresleniu zvuku alebo nežiaducemu rušeniu.Z tohto dôvodu sú lineárne napájacie zdroje uprednostňované v špičkových zvukových systémoch, kde je dôležité udržiavať kvalitu zvuku čistú a jasnú.

V laboratórnych zariadeniach je veľmi dôležité mať konzistentnú a presnú energiu.Zariadenia ako laboratórne napájacie zdroje, ktoré sa používajú na zabezpečenie stabilných a presných výstupov napätia, sa často spoliehajú na lineárnu reguláciu.Stabilita ponúkaná lineárnymi zdrojmi energie zaisťuje, že napätie zostáva konzistentné, čo je veľmi dôležité v experimentálnych a testovacích prostrediach, kde aj malé zmeny môžu viesť k nesprávnym výsledkom.Tieto napájacie zdroje sú navrhnuté tak, aby dodávali čistý výkon bez hluku, ktorý je potrebný na citlivé merania a experimenty, ktoré si vyžadujú vysokú úroveň presnosti.

Lineárne napájacie zdroje sú navrhnuté tak, aby poskytovali konzistentné napätie s minimálnym hlukom, vďaka čomu sú ideálne pre situácie, keď kvalita energie priamo ovplyvňuje to, ako dobre zariadenie funguje.Aj keď nemusia byť také energeticky efektívne ako prepínanie napájacích zdrojov, ich schopnosť poskytovať stabilnú a čistú energiu ich robí obzvlášť užitočnými v konkrétnych aplikáciách citlivých na hluk.Ich používanie v audiovizuálnych a laboratórnych zariadeniach ukazuje, ako kvalita výkonu hrá kľúčovú úlohu pri udržiavaní výkonnosti a presnosti v týchto nastaveniach.

Porovnanie s ostatnými typmi napájania

Lineárne napájacie zdroje sa používajú na zmenu elektrickej energie z jednej formy na druhú, zvyčajne premení striedavý prúd (AC) na priamy prúd (DC).Existuje niekoľko typov zdrojov, z ktorých každý má vlastné vlastnosti:

Obrázok 4: Neregulované lineárne napájacie zdroje

Neregulované lineárne napájacie zdroje sú najzákladnejším typom.Prevádzajú AC na DC, ale nemajú žiadne ďalšie funkcie, ktoré by udržali napätie stabilné.To znamená, že výstupné napätie sa môže zmeniť, ak sa zmení vstupné napätie alebo ak sa zmení množstvo použitého výkonu (zaťaženie).Ak sa vstupné napätie zvýši, výstupné napätie sa tiež zvýši a ak sa zaťaženie zvýši, výstupné napätie by mohlo klesnúť.Z tohto dôvodu tieto napájacie zdroje nie sú ideálne pre zariadenia, ktoré potrebujú správne fungovanie stabilného napätia.

Obrázok 5: Ferroresonant napájací zdroj

Ferroresonantné napájacie zdroje používajú špeciálnu techniku ​​zahŕňajúcu magnetické polia na udržanie stabilného napätia výstupu.Robia to s kombináciou transformátora a rezonančného obvodu.Magnetické vlastnosti transformátora pomáhajú udržiavať stabilné výstupné napätie, aj keď sa vstupné napätie alebo zaťaženie zmení.Tieto napájacie zdroje majú tiež zabudovanú ochranu pred náhlymi špičkami energie, vďaka čomu sú spoľahlivé na miestach, kde napájanie nie je stabilné.Zvyčajne sú však veľké a ťažké, čo môže byť nevýhodou v situáciách, kde záleží na veľkosti a hmotnosti.

Obrázok 6: Napájanie režimu prepínača (SMPS)

Switch Režim napájacie zdroje (SMP) sú navrhnuté tak, aby boli efektívnejšie ako lineárne napájacie zdroje.Pracujú rýchlym zapínaním a vypínaním vstupného napájania pomocou elektronických spínačov, ako sú tranzistory.Táto metóda im umožňuje efektívnejšie prevádzať energiu, čo znamená, že produkujú menej tepla a môžu byť menšie a ľahšie.Z dôvodu vysokorýchlostného prepínania však môžu SMP vytvárať elektrický šum, ktorý by mohol interferovať s inými elektronickými zariadeniami v okolí.SMP sú tiež komplikovanejšie v dizajne a ak sa niečo pokazí, je ťažšie opraviť.

Záver

Lineárne napájacie zdroje sú stále výberom na výber v situáciách, keď je veľmi potrebný napájací zdroj bez hluku.Ich jednoduchý dizajn a spoľahlivý výkon z nich robia obľúbené v oblastiach, ako je zvukové vybavenie a laboratórne testovanie.Majú však kompromisy, pokiaľ ide o energetickú účinnosť a veľkosť, takže je dôležité premýšľať o tom, na čo ich používate.Keď porovnávame lineárne napájacie zdroje s inými typmi, je zrejmé, že hoci nemusí byť vždy najviac úsporou energie, ich schopnosť dodávať čistú a konzistentnú energiu znamená, že sú stále užitočné v dnešnom technologickom svete.Pochopením týchto rozdielov môžete robiť lepšie rozhodnutia pri výbere správneho zdroja energie pre vaše konkrétne potreby.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Kde sa používajú lineárne napájacie zdroje?

Lineárne napájacie zdroje sa bežne používajú v prostrediach, kde je veľmi potrebný stabilný a nízko šumový výkon.To zahŕňa vysoko kvalitné zvukové vybavenie, zdravotnícke pomôcky, laboratórne nástroje a nástroje na meranie presnosti, kde aj malý elektrický hluk môže zasahovať do prevádzky alebo presnosti zariadenia.

2. Aká je účinnosť lineárneho napájania?

Účinnosť lineárneho napájania je vo všeobecnosti nízka, často okolo 50% alebo menej.Dôvodom je skutočnosť, že napájanie reguluje napätie rozptyľovaním prebytočnej energie ako tepla, čo vedie k výraznej strate energie.

3. Aké sú výhody a nevýhody lineárneho napájania?

Hlavnou výhodou lineárneho napájacieho zdroja je jeho schopnosť zabezpečiť čistý, stabilný a nízko šumový výkon, ktorý je ideálny pre citlivú elektroniku.Nevýhody zahŕňajú nízku účinnosť, veľkú veľkosť v dôsledku potreby rozptylu tepla a dodatočná energia zbytočná ako teplo.

4. Aké sú nevýhody regulátora lineárneho napätia?

Nevýhody regulátora lineárneho napätia zahŕňajú nízku účinnosť, pretože plytva veľa energie ako teplo a jeho neschopnosť zintenzívniť napätie, čo znamená, že môže znížiť iba napätie zo vstupnej úrovne.Okrem toho môžu na riadenie tepla vyžadovať veľké chladiče alebo chladiace systémy, vďaka čomu sú objemné.

5. Aký je najúčinnejší typ napájania?

Najúčinnejším typom napájacieho zdroja je napájací zdroj v režime prepínača (SMP).Používa vysokofrekvenčné prepínanie na premenu energie s minimálnou stratou energie, čo vedie k oveľa vyššej účinnosti v porovnaní s lineárnymi zdrojmi.