Alimentare electrică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Panoul din spate al unei surse de alimentare a computerului

O alimentare cu energie electrică, numit de obicei o sursă de alimentare, este un curent alternativ - directă curent convertor, care este un electric aparat care servește pentru a îndrepta tensiunea de intrare la ieșire, pentru a furniza energie electrică prin adaptarea acestuia la utilizarea altor electrice echipamente cum ar fi aparatele de uz casnic . eventual modificarea nivelurilor de tensiune și intensitate a curentului și, prin urmare, puterea de ieșire , printr-un transformator .

Sursele de alimentare diferă foarte mult în funcție de puterea gestionată, precum și de caracteristicile de calitate ale curentului electric furnizat la ieșire. O sursă de alimentare cu valori de tensiune și putere egale este mai complexă și mai costisitoare cu cât este mai precisă și mai stabilă tensiunea furnizată și cu atât este mai mare fiabilitatea acesteia. Există, de asemenea, surse de alimentare de laborator , în care tensiunea de ieșire este reglabilă în mod liber de către utilizator în funcție de nevoie. Aceste surse de alimentare au, de asemenea, o limitare a curentului maxim furnizat, în unele cazuri reglabil, util pentru evitarea problemelor în cazul unui scurtcircuit și pentru circuite speciale cu alimentare de curent constant.

În multe cazuri, sursa de alimentare asigură mai mult de o tensiune de ieșire, după cum este necesar. Acesta este cazul cu sursele de alimentare ale incubatorului , care alimentează tensiuni de 9,3, ± 32, ± 100 V sau cu sursele de alimentare ale computerului , unde tensiunile necesare sunt +3,3 V, +5 V, +12 V, -5 V și - 12 V.

Un număr din ce în ce mai mare de producători adoptă certificarea 80 Plus pentru a verifica stabilitatea tensiunii de ieșire și cantitatea de energie disipată în căldură în diferite condiții de încărcare a sursei de alimentare.

Tehnologii

Există în principal două tipuri de surse de alimentare:

  • statice: produc o tensiune și un curent de ieșire care sunt întotdeauna aceleași (sunt foarte frecvente);
  • variabile: pot modifica valorile de tensiune și curent de ieșire prin intermediul unor pârghii sau butoane speciale.
Redresor de pod

Au o tensiune de intrare minimă și maximă pentru a funcționa. O sursă de alimentare simplă poate consta din 4 diode plasate în serie pentru a forma un romb închis ( pod Graetz ) unde primele 2 sunt conectate la cele două cabluri de curent alternativ (1 fază și 1 neutru), iar ultimele două sunt conectate la cele două cabluri pentru curent continuu (1 pozitiv și 1 negativ).

În funcție de tehnologia utilizată, acestea au și un sistem care înmulțește frecvența curentului și o diodă care se descarcă pe un condensator, astfel încât curentul continuu la ieșire să fie cât mai „drept” posibil.

Există două abordări tehnologice profund diferite pentru construcția surselor de alimentare:

Alimentare liniară (sau disipativă)

Este o tehnologie extrem de simplă și economică, utilizată pe scară largă acolo unde puterea necesară este limitată și costul reprezintă o limită.

Cu toate acestea, nu lipsesc exemplele de surse de alimentare de acest tip care livrează, de asemenea, până la 20 Amperi de curent.

Alimentare liniară

O sursă de alimentare liniară generică este compusă în mod ideal (și deseori și practic) din următoarele elemente conectate în cascadă:

  • un transformator : reduce (sau, în cazuri rare, crește) tensiunea care vine de la rețeaua electrică pentru a o apropia de valoarea cerută de sarcina care trebuie deservită.
  • un redresor : transformă curentul alternativ furnizat de transformator în curent pulsator unidirecțional. Poate fi o singură diodă sau pod Graetz (numit după inventatorul său, fizicianul german Leo Graetz ). Există, de asemenea, un al treilea tip de redresor format dintr-un transformator cu o priză centrală și două diode. Cele două diode sunt conectate la capetele transformatorului pentru a trece curentul în aceeași direcție, în timp ce mufa centrală acționează ca o masă.
  • un filtru de netezire (în mod normal un condensator de mare capacitate): nivelează curentul unidirecțional pulsator care iese din redresor într-un curent continuu mai uniform și mai constant. Dacă sunt necesare capacități foarte mari, este comun să se utilizeze mai multe condensatoare în paralel. Dimensionarea condensatorilor este de aproximativ 1000uF pentru fiecare ampere de curent furnizat.
  • un circuit electronic de stabilizare, numit și regulator , care poate varia de la o diodă Zener simplă la un circuit integrat dedicat. Se asigură că tensiunea generată de sursa de alimentare rămâne constantă în timp și într-o toleranță strictă față de valoarea cerută, deoarece tensiunea rețelei electrice și sarcina aplicată variază.

În multe cazuri în care nu este necesară o tensiune stabilă și precisă, în special în sursele de alimentare mici conectate, secțiunea de stabilizare nu este prezentă.

Principalele limitări ale acestor surse de alimentare constă în energie cu randament redus (de obicei mai puțin de 50%), ceea ce implică, în cazul puterilor mari operate, o dezvoltare substanțială a căldurii, care trebuie eliminată pentru a evita deteriorarea aparatului .

O altă limită constă în creșterea excesivă a dimensiunii și greutății pe măsură ce crește puterea unei surse de alimentare analogice, având în vedere greutatea mare a unui transformator de tensiune mare.

Sursă de alimentare „comutare” sau „comutare”

Au circuite mai complexe decât o sursă de alimentare tradițională, dar au mai multe avantaje, inclusiv o amprentă mai mică și o greutate mai mică cu aceeași putere, o eficiență mai mare și, prin urmare, mai puțină căldură produsă, dar sunt mai puțin potrivite pentru utilizare în laborator, fiind caracterizate prin ridicarea ridicată și generarea de componente false de înaltă frecvență, care pot interfera cu funcționarea unor echipamente.

Principiul de funcționare se bazează pe faptul că un transformator, pentru a fi mai eficient, necesită un miez feromagnetic mai mic și mult mai compact, cu aceeași putere, pe măsură ce crește frecvența de funcționare. Transformatoarele speciale sunt utilizate în balasturile electronice și sunt operate la frecvențe de zeci sau sute de mii de Hz în loc de 50 Hz ale rețelei europene de distribuție a energiei electrice. Miezul acestui transformator este realizat din ferită , un material realizat cu pulberi metalice lipite, în loc de foi tradiționale de fier, care la frecvențe ridicate ar implica o pierdere considerabilă de energie.

Într-o sursă electronică de comutare, tensiunea de rețea este mai întâi corectată și netezită cu un condensator. Atenție: tensiunea la capetele acestui condensator capătă valori foarte mari și este periculoasă pentru oameni: de aceea această secțiune este întotdeauna bine izolată și separată de circuitele ulterioare. Ulterior, un circuit oscilator de putere modulează acest curent continuu pentru a obține un curent alternativ de înaltă frecvență cu o undă pătrată cu ciclu de funcționare variabil în funcție de cerințele sarcinii. Această tehnologie este cunoscută sub numele de PWM ( modulația lățimii pulsului ), iar principalul său avantaj este acela de a disipa o putere foarte mică, teoretic nulă. Tensiunea modulată se aplică înfășurării primare a transformatorului și tensiunea de ieșire, prezentă la înfășurarea secundară a transformatorului, este în cele din urmă rectificată și nivelată ca în sursele de alimentare liniare.

Funcția de stabilizare este obținută de obicei prin feedback din eroarea semnalului de ieșire pe regimul de funcționare al oscilatorului. În practică, un circuit măsoară tensiunea de ieșire și, dacă aceasta este prea mare, energia trimisă de la oscilator la transformator este redusă; dacă, pe de altă parte, tensiunea scade, fluxul de energie crește. Datorită acestui sistem, multe surse de comutare sunt capabile să accepte o gamă largă de tensiuni și frecvențe la intrare. De exemplu, sursele de alimentare pentru notebook-uri pot fi adesea conectate fie la rețeaua europeană de 230 V / 50 Hz, fie la rețeaua SUA de 115 V / 60 Hz.

Aparatul este mai complex prin prezența sistemelor de protecție împotriva suprasarcinilor și scurtcircuitelor și prin filtrele necesare pentru a împiedica propagarea semnalului de înaltă frecvență către sarcină sau revenirea la rețeaua electrică.

Ripple

Ondularea (sau ondularea reziduală ), în electronică și electrotehnică, este considerată ca amplitudinea semnalului în urma unei îndreptări în interiorul sursei de alimentare (care poate fi vizualizată și pe osciloscop ). Acest semnal este suprapus tensiunii directe dorite, de aceea se încearcă scăderea acestuia, sau mai bine zis anularea acestuia, pentru a obține o tensiune cu o tendință cât mai liniară posibil.

Reducerea ondulației (în roșu).

În sursele de alimentare, ondulația este redusă în mare măsură de condensatorul filtrului: este o soluție economică, dar nu eficientă. De fapt, teoretic, pentru a obține o ondulare zero din acest circuit simplu ar fi necesar să aveți un condensator de capacitate infinită, astfel încât ondularea este considerată un defect de care este imposibil să scăpați dacă nu sunt investite sume nerezonabile. O îmbunătățire clară s-ar obține cu un circuit care include mai multe condensatoare distanțate de rezistențe sau, chiar mai bine, de inductoare, dar chiar și în aceste cazuri sursa de alimentare ar deveni mult mai complexă și, în cazul inductorului , ar avea greutate, dimensiunea și costurile prohibitive. Din aceste motive, acum sunt utilizate aproape exclusiv circuite electronice conform tehnologiei de reglare în serie: un element de regulator liniar acceptă tensiunea care trebuie reglată la intrare și o propune din nou ca o ieșire curată și stabilizată.

Aceste circuite, foarte des închise într-un singur cip, sunt răspândite, fiabile, ieftine și disponibile într-o gamă largă de tensiuni și curenți de ieșire.

Faimoasa serie 78xx este de fapt standardul în alimentarea cu circuite electronice de mică putere cu tensiune fixă, cele mai frecvente. Dacă se dorește o tensiune variabilă, se folosește cipul LM317 .

Reduceți imunitatea

Imunitatea la revenirea de putere a unui sistem conceput să-l furnizeze este definită ca fiind capacitatea de a rezista [1] unei energii venite din exterior în direcția opusă.

Chiar dacă provine din exterior, această energie poate fi, de asemenea, aceeași care este emisă, care, dacă nu este disipată sau neradiată , revine la generator.

Imunitatea la revenire se exprimă în volți în sisteme precum generatoarele electrice și surse de alimentare [2] și în wați în sisteme precum amplificatoare și transmițătoare RF [3] .

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Val permanent .

Decupare și control curent

Decupare curentă

Curba de decupare curentă

În sursele de alimentare echipate cu un dispozitiv de tăiere a curentului este posibil să setați - cu un buton [4] - o valoare limită a curentului furnizat. Operația este descrisă de figura din partea numită curbă de decupare a curentului și este după cum urmează: fixată o anumită tensiune ; aplicând o rezistență la sarcină ; pentru valorile curente rezultate aceasta presupune o tendință liniară ascendentă în timp ce tensiunea rămâne constantă; continuând să reducem în continuare în schimb, curentul livrat devine constant în timp ce tensiunea scade a doua .

Să luăm un exemplu: vrem să încărcăm o baterie plumb-acid de: 12V cu sursa noastră de alimentare; 20Ah. După cum știm, pentru a nu deteriora acest tip de baterie trebuie să o reîncărcăm treptat: cu un curent maxim de o douăzecime din capacitate; pentru un timp de 20-24 de ore. Procedura este următoarea: stabilim tensiunea fără sarcină la 13,8V [5] ; în schimb, aducem ajustarea curentului de decupare la minimum [6] ; conectăm bateria la sursa de alimentare [7] ; ridicăm ușor setarea curentă de decupare până la valoarea de încărcare unde este este capacitatea bateriei; în exemplul nostru . Când bateria este foarte descărcată, rezistența sa echivalentă este foarte redusă, astfel încât inițial curentul va fi limitat de dispozitivul de tăiere, din acest motiv tensiunea furnizată poate scădea cu mai mulți Volți ; după 24h vom găsi tensiunea la 13,8V și curentul aproape zero - bateria este încărcată.

Curba de curent și tensiune cu protecție la supracurent

Protecție împotriva curentului

Acest dispozitiv de protecție este unul dintre cele mai simple dintre cele pe care le putem găsi furnizate cu o sursă de alimentare. Descrierea operațiunii este după cum urmează: electronica măsoară curentul livrat și atunci când acesta depășește limita fixă ​​stabilită, intervine cu o scădere bruscă a tensiunii - evidențiată în graficul „Curba de curent și tensiune cu protecție la supracurent” de o pantă semnificativă la vale ".

Protecție la scurtcircuit

Această protecție poate fi integrată cu protecția la supracurent - practic: intervine rapid deconectând ieșirea sursei de alimentare atunci când scade sub minim; din acest moment este monitorizat numai printr-un curent mic și ieșirea rămâne deconectată până când situația este restabilită, adică până la nu recuperează valori acceptabile.

Alimentare cu curent constant

Dacă aplicăm un circuit de control al curentului constant unei surse de alimentare stabilizate cu o ieșire de tensiune fixă, vom obține o sursă de curent constantă . O sursă de alimentare care va furniza un curent fix fix și o tensiune care va varia în funcție de sarcina conectată. Tensiunea maximă va fi cea a primei etape [8] redusă de căderea introdusă de a doua etapă [9] .

Acest tip de surse de alimentare se aplică de exemplu la reîncărcarea acumulatorilor NiCd / NiMH - care trebuie încărcați în acest mod - și la alimentarea cu energie a dispozitivelor precum LED-urile , în acest caz unul sau mai multe elemente pot fi puse în serie , până la un maxim care este suma tensiunii maxime livrabile, iar sistemul se va echilibra automat.

Alte dispozitive auxiliare

  • protecție la supratensiune
  • protecție la suprasarcină
  • protecție la supratemperatură și control al răcirii

Surse de alimentare universale

Acestea se caracterizează prin flexibilitate ridicată și acest lucru le face potrivite pentru alimentarea diferitelor dispozitive electrice, cum ar fi:

Puterea maximă care poate fi furnizată de acest tip de alimentare este de ordinul a câteva zeci de wați.

Flexibilitatea surselor de alimentare universale constă în faptul că este posibil să selectați tensiunea de ieșire (de obicei printr-un comutator glisant sau un comutator rotativ ) și să alegeți, din gama disponibilă, fișa cea mai potrivită pentru conectarea cu echipamentul care va fi alimentat . Tensiunile de alimentare selectabile în mod obișnuit sunt: ​​1,5V, 3,0V, 4,5V, 6,0V, 7,5V, 9,0V și 12V. Cele mai frecvente mufe sunt conectorii de diferite diametre ale conectorului și tipul coaxial (unde polaritatea poate fi selectată) și porturile USB (adesea cu conector mini-USB ).

Surse de alimentare pentru computer personal

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Calculator § Alimentare electrică .

În funcție de tipul sursei de alimentare, computerul poate avea următorul tip de oprire:

  • manual: sursa de alimentare AT
  • automat: alimentare ATX

Alimentatoare de laborator

O sursă de alimentare digitală de laborator.

Pot fi de tip liniar sau comutator , sunt folosite în laboratoare de cercetare și reparații, în școli și de către amatori și radioamatori . Caracteristica lor este de a putea furniza o tensiune reglabilă de la zero la multe zeci de volți, prin intermediul unui buton plasat pe panou. Unele modele au un al doilea buton, care vă permite să reglați valoarea limită a curentului de furnizat, util de exemplu pentru a încărca o baterie cu un curent constant. Valorile de tensiune și curent furnizate sunt afișate cu voltmetre și ampermetre analogice cu scară gradată sau digitale cu afișaj numeric.

De asemenea, pot fi realizate cu mai multe secțiuni, adică mai multe surse de alimentare izolate galvanic una de alta, închise într-un singur dispozitiv: fiecare secțiune poate furniza tensiuni și curenți diferiți de celelalte. Sunt utile în cazurile în care sunt necesare mai multe tensiuni cu valori diferite. Un circuit format din cipuri digitale și analogice și un releu va avea nevoie de +5 volți pentru a alimenta circuitul digital, +15 V și -15 V pentru circuitul analogic și +12 V sau +24 V pentru releu. O sursă de alimentare de acest tip facilitează operatorul și economisește spațiu pe masa de lucru. Cele mai bune modele de laborator pot fi programabile, adică pot fi conectate la un sistem computerizat prin intermediul autobuzului IEEE-488 și pot funcționa automat și în siguranță, chiar și de la distanță.

Surse de alimentare redundante

Sursele de alimentare redundante diferă de cele tradiționale prin furnizarea unei garanții mai mult sau mai puțin ridicate a serviciului, chiar și în prezența unui anumit tip de anomalii și / sau defecțiuni.

Componentele electronice care furnizează serviciul de redundanță se ocupă în general numai de garantarea serviciului de alimentare cu energie electrică, deci este imprecis, dacă nu greșit, să vorbim despre acesta din punct de vedere al fiabilității .

Cel mult, chiar și lipsa totală [10] sau parțială [11] de energie din rețea poate fi considerată o anomalie. Redundantă în ceea ce privește lipsa de energie din rețea este sursa de alimentare care încorporează o baterie (clasică a sistemelor de securitate antifurt) care se încarcă în timpul prezenței rețelei; în timp ce furnizează energie de înlocuire atunci când primul eșuează.

Configurația redundantă este clasică cu două dispozitive identice [12] care se monitorizează reciproc și intervin înlocuindu-se reciproc în caz de defecțiune. Pe de altă parte, utilizarea surselor de alimentare tradiționale cu delegare de control și comutare de către unități de control externe care la rândul lor ar putea eșua nu este foarte funcțională.

Utilizarea a două surse de alimentare paralelizate este, de asemenea, funcțională, atât timp cât ambele sunt capabile să susțină întreaga încărcare în siguranță; în acest caz, ei ar împărți în mod normal puterea, prelungind durata de viață a ambelor, dar în același timp în caz de eșec al unuia dintre cei doi, serviciul ar fi garantat în mod egal.

Dacă nu există limite de siguranță, în aplicații practice putem găsi și surse de alimentare cu echipamente multiple, sisteme clasice de avionică care în regimul tehnic militar pot ajunge chiar la cinci [13] .

Ca toate sistemele redundante, aceste surse de alimentare trebuie să poată raporta orice anomalie personalului competent, un semnal care nu poate fi doar luminos, dar în funcție de rafinament poate fi un simplu contact de releu până la o transmisie digitală pe o linie RS . / RS-422 / RS-232 sau Ethernet .

Surse de alimentare paralele

Sursele de alimentare paralele diferă de cele tradiționale pentru imunitatea lor ridicată la reîntoarcerea puterii , în esență, în anumite limite nu sunt deteriorate dacă sunt puse în paralel.

În prezent nu există nicio legislație sau chiar o convenție cu privire la această chestiune specifică, așa că bazându-ne pe cataloagele comerciale găsim trei tipuri:

  • surse de alimentare simplu paralelabile;
  • surse de alimentare paralelabile cu control pasiv de curent;
  • surse de alimentare paralelabile cu control activ al curentului.

Dacă scopul paralelei este redundanța, utilizați „brutal” [ Clarifică, poate folosind un limbaj mai puțin colocvial. ] din două surse de alimentare pur și simplu paralelabile ar putea fi o soluție suficientă, în acest caz ambele surse de alimentare trebuie să poată susține în siguranță întreaga sarcină; dacă în schimb scopul paralelei este de a împărți sarcina pe mai multe surse de alimentare, va fi necesar să se utilizeze strategii pentru a echilibra curentul furnizat, acesta este „plusul” pe care îl pot furniza sursele de alimentare paralelabile.

Pur și simplu surse de alimentare paralelabile

Furnizarea acestui tip de caracteristică într-o sursă de alimentare este foarte simplă: este suficient să aplicați o diodă la ieșire, dirijată într-un mod coerent și cu caracteristici adecvate de curent și tensiune; și compensați căderea relativă de tensiune.

Pentru funcționare, tensiunea de ieșire a unuia dintre cele două va trebui să fie reglată, "mai mică" decât cealaltă, în acest fel cea de tensiune mai mare va funcționa, deoarece dioda sa va conduce până la orice defecțiune, când tensiunea va scădea și dioda celeilalte surse de alimentare va conduce, dacă în acel moment este încă funcțională.

Surse de alimentare paralele cu control pasiv de curent

În acest tip de surse de alimentare, circuitele de comandă sunt proiectate astfel încât tensiunea de ieșire să scadă ușor odată cu creșterea curentului furnizat, de exemplu conform formulei unde (Vu) este tensiunea de ieșire a sursei de alimentare, (Vi) este tensiunea de intrare a circuitului de comandă (I) este curentul instantaneu furnizat și (Imax) curentul maxim care poate fi furnizat chiar înainte de decupare . Rezultatul va fi o curbă lină a tensiunii de ieșire care natural devine foarte abruptă atunci când curentul depășește pragul maxim. The în exemplu este de obicei 5% din tensiunea nominală, dar în general nu depășește 1V.

Operațiunea este simplă, punând două sau mai multe dintre aceste surse de alimentare în paralel, chiar dacă calibrările datorate nu au fost foarte precise, datorită curbei ușor de tendință, curenții tuturor surselor de alimentare se vor echilibra singuri. Cu cât calibrările sunt mai precise, adică cu cât diferențele dintre surse de alimentare sunt mai mici, cu atât curenții furnizați de fiecare dispozitiv vor fi mai similari, cu toate acestea, la fiecare schimbare a sarcinii și, prin urmare, în curentul livrat, pot exista mici dezechilibre de curent în timpul tranzitorilor. datorită timpului de răspuns al circuitului de comandă.

Acest tip de ajustare este acceptabil pentru multe aplicații.

Surse de alimentare paralele cu control activ al curentului

În acest tip de surse de alimentare, circuitele de comandă sunt proiectate astfel încât fiecare sursă de alimentare să furnizeze același curent în toate condițiile. Această funcție este obținută prin trecerea datelor de tensiune și curent ale fiecărei surse de alimentare. Rezultatul va fi o alimentare constantă și precisă de curent și tensiune, imună la orice diferențe în calibrarea surselor de alimentare.

Funcționarea poate fi complexă și chiar controlată de microprocesor , iar acest tip de reglementare este mai scump atât în ​​ceea ce privește proiectarea [14], cât și instalarea [15] .

Notă

  1. ^ rezista la orice daune
  2. ^ În aceste cazuri, poate crește până la câțiva volți prin utilizarea de relee care întrerup continuitatea .
  3. ^ În aceste cazuri, este, în general, o chestiune de câțiva wați , doar cele care pot fi disipate în loco termic și pentru timpul de rezistență fizică a componentelor.
  4. ^ în sursele de alimentare de calitate superioară, această setare este afișată pe un afișaj - în cele mai ieftine, reglajul este "orb"
  5. ^ tensiunea nominală a unei baterii cu plumb acid de 12V
  6. ^ acest lucru este pentru siguranță dacă lucrați orbește - în sursele de alimentare cu afișajul de setare indicați direct valoarea curentă de încărcare
  7. ^ respectând strict polaritatea
  8. ^ sursa de alimentare stabilizată cu ieșire de tensiune fixă
  9. ^ circuit de control al curentului constant
  10. ^ pe o rețea monofazată, lipsă de energie
  11. ^ pe o rețea trifazică lipsa de energie doar dintr-una dintre faze
  12. ^ sistemele duble redundante se numesc redundanță N +
  13. ^ sistemele multiple redundante se numesc redundanță N + M
  14. ^ sistemul necesită o măsurare precisă a curentului
  15. ^ sistemul necesită cabluri suplimentare

Bibliografie

  • feeder , în Treccani.it - ​​Enciclopedii on-line , Institutul Enciclopediei Italiene.
  • Gordian Sehrig, Surse de alimentare cu circuite integrate , Franco Muzzio & C., 1978.

Elemente conexe

Alte proiecte