na 2024/08/28 279

Lineární napájecí zdroje

Ve světě elektroniky jsou napájecí zdroje zařízení, která zajišťují, že vše běží hladce a správně.Mezi různými dostupnými typy jsou lineární napájecí zdroje známé pro poskytování stálého a spolehlivého toku elektřiny s velmi malým hlukem.Tento článek vysvětlí, jak fungují lineární napájecí zdroje, z jakých součástí jsou vyrobeny a kde jsou nejužitečnější.Porovnáme je také s jinými typy napájecích zdrojů a pomůžeme vám pochopit, proč jsou stále vybírány pro určité situace, i když jsou k dispozici novější a energeticky efektivnější možnosti.

Katalog

Obrázek 1: Lineární napájení

Co je to lineární napájení?

Lineární napájecí zdroj je typ napájecího zařízení, které poskytuje stabilní a konzistentní výstup napětí při nepřetržitém úpravě odporu.Tato metoda se vyhýbá použití rychlého přepínání, což je jednodušší a ideální pro dodávání čistého a spolehlivého energie různým elektronickým zařízením.

Proces začíná systémem zpětné vazby, který neustále kontroluje výstupní napětí.Toto napětí je porovnáno s nastaveným referenčním napětím pomocí diferenciálního zesilovače, obvodu, který pomáhá zajistit přesnost.Pokud se výstupní napětí liší od odkazu, zesilovač generuje signál pro opravu rozdílu.Tento signál ovládá část nazývanou Pass Element, který by mohl být tranzistor nebo tranzistor polního účinku (FET).Průchodný prvek pracuje jako variabilní rezistor, který upravuje jeho odpor, aby udržel napětí na správné úrovni.

Například, pokud se vstupní napětí zvýší, prvek průchodu zvyšuje jeho odpor, aby zabránil stoupání výstupního napětí.Na druhé straně, pokud se vstupní napětí snižuje, průchodový prvek snižuje jeho odpor, aby umožnil větší proud, což zajišťuje, že výstupní napětí zůstane stabilní.

Toto nepřetržité nastavení zajišťuje, že napájení poskytuje konzistentní napětí, i když se změní vstupní napětí nebo zatížení.Jednoduchost lineárního napájení způsobuje, že je spolehlivý a vytváří velmi malý elektrický šum, který je užitečný pro zařízení, která vyžadují stabilní výkon.Tento typ napájení je však obecně méně efektivní, protože extra energie se uvolňuje jako teplo, což znamená, že může vyžadovat větší chladicí systémy a využívat více energie.

Komponenty lineárního napájení

Obrázek 2: Složky lineárního napájení

Transformátor napájecího zdroje

V lineárním napájecím zdroji je transformátor první složkou, která interaguje s napájením střídavého proudu z sítě.Jeho hlavní prací je změnit napětí na úroveň, která je vhodná pro zařízení, buď jeho snížením (což je běžnější), nebo ji zvýšením, v závislosti na potřebách zařízení.Transformátor také poskytuje ochranu oddělením napájení od sítě, což snižuje riziko elektrických rizik.V aplikacích s vyšším výkonem může být transformátor poměrně velký, což zvyšuje celkovou velikost a hmotnost napájení.V závislosti na tom, jak je napájení navrženo, může mít transformátor jedno nebo více sekundárních vinutí Pro vytvoření různých výstupních napětí.

Usměrňovač

Jakmile transformátor upraví napětí, musí být napájení střídavého proudu převedeno na DC napájení, což je prováděno usměrňovačem.Osměrná míra je klíčovou součástí napájení a přichází v různých nastaveních. Poloviční vlnová rektifikace Používá jedinou diodu k přeměně pouze jedné poloviny střídavého cyklu na DC, takže je méně efektivní a vytváří více fluktuací ve výstupu, které je těžší vyhladit. Rektifikace plné vlny je efektivnější a používá obě poloviny AC cyklus.Toho lze provést pomocí transformátoru středového sporu a dvěma diodami nebo se nastavením usměrňovače můstku, které používá čtyři diody.Osměrné motory mostu se častěji používá v moderních vzorcích, protože je efektivnější.Moderní usměrňovače obvykle používají polovodičové diody jako PN křižovatky nebo Schottkyho diody.Schottkyho diody jsou často vybírány, protože ztratí menší napětí, když je prochází proud, což je zvyšuje efektivnější, i když mohou umožnit úniku nějakého proudu a mít nižší prahovou hodnotu napětí, než se rozpadnou.

Vyhlazovací kondenzátor

Poté, co usměrňovač převede AC na DC, výstup není dokonale hladký a obsahuje fluktuace na napětí, které nejsou žádoucí pro většinu elektronických obvodů.Kondenzátor vyhlazování pomáhá dokonce tyto výkyvy Nabíjením během nejvyšších bodů rektifikovaného tvaru vlny a uvolnění náboje, když průběh klesne.To pomáhá Udržujte DC napětí stabilnější.Ačkoli kondenzátor výrazně snižuje fluktuace, zcela je neodstraní.Schopnost kondenzátoru snížit tyto fluktuace závisí na jeho velikosti a množství proudu, který zatížení vyžaduje.

Regulátor napětí

Regulátor napětí je hlavní součástí lineárního napájení, což zajišťuje, že výstupní napětí zůstane stabilní, i když se změní vstupní napětí nebo zatížení.Existují dva hlavní typy lineárních regulátorů: Regulátor zhuntu a regulátor série.

Regulátor zhuntu je méně běžný a funguje tak, že umístí variabilní komponent přes zátěž, která absorbuje další proud, aby se výstupní napětí udržovalo stabilní.Tento typ regulátoru se používá, pokud je potřeba přesná kontrola napětí, i když to nemusí být příliš efektivní.Vzhledem k jeho nižší účinnosti se obvykle používá pouze ve specifických situacích.

Regulátor série je nejpoužívanějším typem lineárního regulátoru.V tomto nastavení je do série umístěna variabilní odpor se zatížením a řídicí obvod upravuje odpor, aby udržoval požadované výstupní napětí.Jednoduchost a účinnost regulátoru série z něj činí oblíbenou volbu pro mnoho návrhů lineárních napájení.Poskytuje dobré ovládání napětí s relativně přímým designem, díky čemuž je vhodný pro širokou škálu použití.

Výhody a nevýhody lineárních napájecích zdrojů

Výhody

Lineární napájecí zdroje mají několik výhod, zejména v situacích, kdy je nutná stabilita a tichý provoz.Jednou z hlavních výhod je, že vytvářejí velmi malý hluk.Na rozdíl od spínacího napájecího zdroje, které rychle zapnou a vypnou proud, lineární napájecí zdroje udržují proud neustále.Tento nedostatek rychlého přepínání znamená, že nevytvářejí mnoho elektromagnetického rušení, což z nich činí dobrou volbu pro jemná elektronická zařízení, jako jsou zvukové systémy, lékařské vybavení a nástroje, které vyžadují přesná měření.

Další výhodou je jejich spolehlivý výkon.Lineární napájecí zdroje existují po dlouhou dobu a jejich technologie je známá a spolehlivá.Protože se používají po mnoho let, jejich výkon je konzistentní a dobře srozumitelný.Inženýři a designéři se mohou spolehnout na to, že tyto zásoby budou trvale fungovat, což je velmi užitečné v situacích, kdy je nutností spolehlivost.

Nevýhody

Lineární napájecí zdroje však mají určité nevýhody, zejména pokud jde o to, jak dobře využívají energii a jejich velikost.Jednou z největších nevýhod je jejich nízká účinnost.Tyto zásoby obvykle používají pouze asi 50% vstupní energie efektivně, přičemž druhá polovina je promarněna, obvykle jako teplo.K této nízké účinnosti dochází, protože napájení řídí napětí tím, že se zbaví extra energie, což ztrácí hodně energie.

Tato zbytečná energie vede k dalšímu problému: Generování tepla .Energie, která se nepoužívá, vytváří teplo, které je třeba zvládnout, aby se zabránilo poškození napájení a připojených zařízení.To často znamená přidávat další díly, jako jsou chladicí dřezy nebo chladicí ventilátory, což může zkomplikovat design a zvýšit náklady.

A konečně, lineární napájecí zdroje jsou Větší a těžší než přepínání napájecích zdrojů.K řízení tepla potřebují velké transformátory, aby snížily napětí a další díly, což způsobuje, že tyto napájecí zdroje jsou objemné.To může být velká nevýhoda v situacích, kdy je prostor a hmotnost důležitý, například v přenosných nebo kompaktních zařízeních.

Aplikace lineárních napájecích zdrojů

Obrázek 3: Aplikace lineárních napájecích zdrojů

Lineární napájecí zdroje, i když ne tak energeticky efektivní jako jejich protějšky, jsou často vybírány pro specifické situace, kdy je nutný stabilní a bez hluku.Tyto napájecí zdroje jsou zvláště užitečné v prostředích, kde je zapotřebí stabilní a čisté energie bez narušení, které mohou přicházet s přepínáním napájecího zdroje.

V audiovizuálním zařízení jsou lineární napájecí zdroje velmi užitečné pro vysoce kvalitní zvukové zesilovače a citlivá zvuková zařízení.Poskytují hladký a stabilní výstup napětí, který je důležitý pro udržení nedotčené kvality zvuku.Přepínání napájecích zdrojů může někdy zavést šum a hroty, které mohou narušit zvukové signály, což vede k zkreslení zvuku nebo nežádoucí rušení.Z tohoto důvodu jsou lineární napájecí zdroje preferovány ve špičkových zvukových systémech, kde je důležité udržovat kvalitu zvuku čistou a čistou.

V laboratorním vybavení je velmi důležité mít konzistentní a přesný výkon.Zařízení, jako jsou laboratorní napájecí zdroje, které se používají k poskytování stabilních a přesných výstupů napětí, se často spoléhají na lineární regulaci.Stabilita nabízená lineárními napájecími zdroji zajišťuje, že napětí zůstává konzistentní, což je velmi důležité v experimentálních a testovacích prostředích, kde i malé změny mohou vést k nesprávným výsledkům.Tyto napájecí zdroje jsou navrženy tak, aby poskytovaly čistý výkon bez šumu, což je potřebné pro citlivá měření a experimenty, které vyžadují vysokou úroveň přesnosti.

Lineární napájecí zdroje jsou navrženy tak, aby poskytovaly konzistentní napětí s minimálním šumem, což z nich činí ideální pro situace, kdy kvalita energie přímo ovlivňuje, jak dobře zařízení funguje.I když nemusí být tak energeticky efektivní jako spínací napájecí zdroje, jejich schopnost poskytovat stabilní a čisté energie je činí obzvláště užitečnými ve specifických, hlukově citlivých aplikacích.Jejich použití v audiovizuálním a laboratorním vybavení ukazuje, jak kvalita energie hraje klíčovou roli při udržování výkonu a přesnosti v těchto prostředích.

Srovnání s jinými typy napájení

Lineární napájecí zdroje se používají ke změně elektrické energie z jedné formy na druhou a obvykle přeměňují střídavý proud (AC) na přímý proud (DC).Existuje několik typů napájecích zdrojů, z nichž každá má vlastní vlastnosti:

Obrázek 4: Neregulované lineární napájecí zdroje

Neregulované lineární napájecí zdroje jsou nejzákladnějším typem.Převádějí AC na DC, ale nemají žádné další funkce, aby se napětí udržovalo stabilní.To znamená, že výstupní napětí se může změnit, pokud se změní vstupní napětí nebo pokud se změní množství použitého výkonu (zatížení).Pokud vstupní napětí stoupne, výstupní napětí také stoupne a pokud se zatížení zvýší, může výstupní napětí klesnout.Z tohoto důvodu nejsou tyto napájecí zdroje ideální pro zařízení, která potřebují stabilní napětí, aby správně fungovaly.

Obrázek 5: Ferroresonant napájení

Ferroresonant napájecí zdroje používají speciální techniku ​​zahrnující magnetická pole, aby udržovaly výstupní napětí stabilní.Dělají to s kombinací transformátoru a rezonančního obvodu.Magnetické vlastnosti transformátoru pomáhají udržovat stabilní výstupní napětí, i když se změní vstupní napětí nebo zatížení.Tyto napájecí zdroje mají také vestavěnou ochranu před náhlými výkonovými hroty, díky čemuž jsou spolehlivé v místech, kde není napájení stabilní.Obvykle jsou však velké a těžké, což může být nevýhodou v situacích, kdy na velikosti a hmotnosti záleží.

Obrázek 6: Napájení režimu přepínače (SMPS)

Napájecí zdroje režimu přepínače (SMPS) jsou navrženy tak, aby byly efektivnější než lineární napájecí zdroje.Pracují rychlým přepínáním vstupního napájení a vypnutí pomocí elektronických spínačů, jako jsou tranzistory.Tato metoda jim umožňuje efektivněji převádět energii, což znamená, že produkují méně tepla a mohou být menší a lehčí.Vzhledem k vysokorychlostnímu přepínání však SMP mohou vytvářet elektrický šum, který by mohl narušit další elektronická zařízení v okolí.SMP jsou také komplikovanější v designu a může být těžší opravit, pokud se něco pokazí.

Závěr

Lineární napájecí zdroje jsou stále výběrem v situacích, kdy je velmi nutný stabilní a napájecí zdroj bez hluku.Jejich jednoduchý design a spolehlivý výkon z nich dělají oblíbené v oblastech, jako je zvukové vybavení a laboratorní testování.Mají však kompromisy z hlediska energetické účinnosti a velikosti, takže je důležité přemýšlet o tom, pro co je používáte.Když porovnáme lineární napájecí zdroje s jinými typy, je zřejmé, že i když nemusí být vždy nejvíce možností úspory energie, jejich schopnost poskytovat čistou a konzistentní výkon znamená, že jsou stále užitečné v dnešním technologickém světě.Pochopením těchto rozdílů můžete při výběru správného napájení pro své konkrétní potřeby učinit lepší rozhodnutí.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Kde se používají lineární napájecí zdroje?

Lineární napájecí zdroje se běžně používají v prostředích, kde je velmi potřebná stabilní a nízká energie.To zahrnuje vysoce kvalitní zvukové zařízení, zdravotnické prostředky, laboratorní nástroje a přesné měření nástrojů, kde i malý elektrický šum může narušit provoz nebo přesnost zařízení.

2. Jaká je účinnost lineárního napájení?

Účinnost lineárního napájení je obecně nízká, často kolem 50% nebo méně.Je to proto, že napájení reguluje napětí rozptylováním přebytečné energie jako tepla, což má za následek významnou energii.

3. Jaké jsou výhody a nevýhody lineárního napájení?

Hlavní výhodou lineárního napájení je jeho schopnost poskytovat čistou, stabilní a nízko-šumovnou sílu, která je ideální pro citlivou elektroniku.Nevýhody zahrnují nízkou účinnost, velká velikost v důsledku potřeby rozptylu tepla a další energie zbytečná jako teplo.

4. Jaké jsou nevýhody regulátoru lineárního napětí?

Nevýhody regulátoru lineárního napětí zahrnují nízkou účinnost, protože plýtvá velkým výkonem jako teplo a jeho neschopnost zvýšit napětí, což znamená, že může pouze snížit napětí ze vstupní úrovně.Navíc mohou vyžadovat velké chladiče nebo chladicí systémy pro řízení produkovaného tepla, což je objemné.

5. Jaký je nejúčinnější typ napájení?

Nejúčinnějším typem napájení je napájení spínače (SMPS).Používá vysokofrekvenční přepínání k přeměně energie s minimální ztrátou energie, což vede k mnohem vyšší účinnosti ve srovnání s lineárními napájecími zdroji.