na 2024/08/28 301

Linearni napajanja

U svijetu elektronike, napajanja su uređaji koji osiguravaju da sve radi glatko i ispravno.Među različitim dostupnim vrstama, linearni napajanja poznate su po pružanju stalnog i pouzdanog protoka električne energije s vrlo malo buke.Ovaj će članak objasniti kako djeluju linearne napajanja, od kojih su dijelova napravljeni i gdje su najkorisniji.Također ćemo ih usporediti s drugim vrstama opskrbe napajanjem, pomažući vam da shvatite zašto su još uvijek odabrani za određene situacije, iako su dostupne novije, energetski učinkovitije opcije.

Katalog

Slika 1: Linearno napajanje

Što je linearno napajanje?

Linearno napajanje je vrsta uređaja za napajanje koji pruža stalni i dosljedan naponski izlaz kontinuirano podešavajući otpor.Ova metoda izbjegava upotrebu brzog prebacivanja, što je jednostavnije i idealno za isporuku čiste i pouzdane snage na različite elektroničke uređaje.

Proces započinje s povratnim sustavom koji stalno provjerava izlazni napon.Taj se napon uspoređuje s postavljenim referentnim naponom pomoću diferencijalnog pojačala, kruga koji pomaže u osiguravanju točnosti.Ako se izlazni napon razlikuje od reference, pojačalo stvara signal za ispravljanje razlike.Ovaj signal kontrolira dio koji se zove prolazni element, koji bi mogao biti tranzistor ili tranzistor s efektom na terenu (FET).Prolazni element djeluje poput promjenjivog otpornika, podešavajući njegov otpor kako bi napon bio na pravoj razini.

Na primjer, ako se ulazni napon poveća, prolazni element povećava svoj otpor kako bi se spriječilo porast izlaznog napona.S druge strane, ako se ulazni napon smanjuje, prolazni element smanjuje otpor kako bi omogućio više struje, osiguravajući da izlazni napon ostane stabilan.

Ovo kontinuirano podešavanje osigurava da napajanje isporučuje dosljedan napon, čak i kada se ulazni napon ili opterećenje mijenja.Jednostavnost linearnog napajanja čini ga pouzdanom i stvara vrlo malo električne buke, što je korisno za uređaje koji trebaju stabilnu snagu.Međutim, ova vrsta napajanja općenito je manje učinkovita jer se dodatna energija oslobađa kao toplina, što znači da će joj možda trebati veći sustavi za hlađenje i koristiti više snage.

Komponente linearnog napajanja

Slika 2: Komponente linearnog napajanja

Ulazni transformator napajanja

U linearnom napajanju, transformator je prva komponenta koja komunicira s izmjeničnom snagom iz mreže.Njegov glavni posao je Promijenite napon na razinu koja je pogodna za uređaj, bilo spuštanjem (koja je češća) ili povećanjem, ovisno o potrebama uređaja.Transformator također pruža zaštitu odvajanjem napajanja od mreže, smanjujući rizik od električnih opasnosti.U aplikacijama s višom snagom, transformator može biti prilično velik, što povećava ukupnu veličinu i težinu napajanja.Ovisno o načinu na koji je dizajniran napajanje, transformator može imati jedan ili više sekundarnih namota Za proizvodnju različitih izlaznih napona.

Ispravljač

Nakon što transformator podesi napon, izmjeničnu snagu treba pretvoriti u istosmjernoj snazi, što radi ispravljač.Ispravljač je ključni dio napajanja, a dolazi u različitim postavkama. Ispravljanje napola vala Koristi jednu diodu za pretvaranje samo polovice izmjeničnog ciklusa u DC, što ga čini manje učinkovitim i stvarajući više fluktuacija u izlazu, koje je teže izgladiti. Ispravljanje punog vala je učinkovitiji i koristi obje polovice izmjeničnog ciklusa.To se može učiniti s transformatorom koji je prepun središta i dvije diode ili s postavljanjem ispravljača mosta koje koristi četiri diode.Ispravljač mosta češće se koristi u modernim dizajnima jer je učinkovitiji.Moderni ispravljači obično koriste poluvodičke diode Poput PN Junction dioda ili Schottkyja dioda.Schottky diode često se biraju jer gube manje napona kada struja prođe kroz njih, što ih čini učinkovitijim, iako mogu dopustiti da neka struja procuri i imaju niži prag napona prije nego što se pokvare.

Kondenzator

Nakon što ispravljač pretvara izmjeničnu struju u DC, izlaz nije savršeno gladak i sadrži fluktuacije u naponu koje nisu poželjne za većinu elektroničkih krugova.Kondenzator za izravnavanje pomaže čak i ove fluktuacije Punjenje tijekom visokih točaka ispravljenog valnog oblika i oslobađanja naboja kada padne valni oblik.Ovo pomaže Dr DC napon održavajte stabilnijim.Iako kondenzator uvelike smanjuje fluktuacije, ne uklanja ih u potpunosti.Sposobnost kondenzatora da smanji ove fluktuacije ovisi o njegovoj veličini i količini struje koju opterećenje zahtijeva.

Regulator napona

Regulator napona glavna je komponenta linearnog napajanja, osiguravajući da izlazni napon ostaje stabilan, čak i ako se ulazni napon ili opterećenje promijeni.Postoje dvije glavne vrste linearnih regulatora: Regulator i serije regulator.

Regulator Shunt je rjeđi i djeluje postavljanjem varijabilne komponente preko opterećenja, koja apsorbira dodatnu struju kako bi izlazni napon bio stabilan.Ova vrsta regulatora koristi se kada je potrebna precizna kontrola napona, iako možda nije vrlo učinkovita.Zbog niže učinkovitosti, obično se koristi samo u određenim situacijama.

Serijski regulator je najčešće korišteni tip linearnog regulatora.U ovom postavljanju, varijabilni otpor postavlja se u nizu s opterećenjem, a upravljački krug podešava otpor za održavanje željenog izlaznog napona.Jednostavnost i učinkovitost regulatora serije čine ga popularnim izborom za mnoge linearne dizajne napajanja.Omogućuje dobru kontrolu napona s relativno izravnim dizajnom, što ga čini prikladnim za širok raspon korištenja.

Prednosti i nedostaci linearnih napajanja

Prednosti

Linearni napajanja imaju nekoliko prednosti, posebno u situacijama kada su potrebni stabilnost i miran rad.Jedna od glavnih prednosti je to što oni stvaraju Vrlo malo buke.Za razliku od prebacivanja opskrbe napajanjem koji struju brzo uključi i isključuju, linearni napajanja stalno teče struju.Ovaj nedostatak brzog prebacivanja znači da ne stvaraju mnogo elektromagnetskih smetnji, što ih čini dobrim izborom za osjetljive elektroničke uređaje poput audio sustava, medicinske opreme i instrumenata koji trebaju precizna mjerenja.

Još jedna korist je njihova Pouzdana performansi.Linearne napajanja već dugo postoje, a njihova je tehnologija dobro poznata i pouzdana.Budući da su korišteni toliko godina, njihov je učinak dosljedan i dobro razumljiv.Inženjeri i dizajneri mogu računati da će te zalihe dosljedno raditi, što je vrlo korisno u situacijama kada je pouzdanost neophodna.

Nedostaci

Međutim, linearna napajanja imaju neke nedostatke, uglavnom kada su u pitanju koliko dobro koriste energiju i svoju veličinu.Jedan od najvećih nedostataka je njihov niska učinkovitost.Ove zalihe obično koriste samo oko 50% ulazne energije učinkovito, a druga polovica se troši, obično kao toplina.Ta niska učinkovitost događa se jer opskrba kontrolira napon uklanjanjem dodatne energije, što troši puno energije.

Ova izgubljena energija dovodi do drugog problema: stvaranje topline .Energija koja se ne koristi stvara toplinu, za koju se mora upravljati kako bi se spriječilo napajanje i povezani uređaji od oštećenja.To često znači dodavanje dodatnih dijelova poput hladnjaka ili ventilatora za hlađenje, što dizajn može učiniti složenijim i povećati troškove.

I na kraju, linearne napajanja su Veći i teži nego prebacivanje napajanja.Potrebni su im veliki transformatori za smanjenje napona i dodatnih dijelova za upravljanje toplinom, čineći ove napajanja glomaznim.To može biti veliki nedostatak u situacijama u kojima su važni prostor i težina, poput prijenosnih ili kompaktnih uređaja.

Primjene linearnih materijala

Slika 3: Primjene linearnih napajanja

Linearna napajanja, iako nisu tako energetski učinkoviti kao njihovi prebacivanje, često se biraju za određene situacije u kojima je potreban postojani i bez buke.Ovi opskrba napajanjem posebno su korisni u okruženjima u kojima je potrebna stabilna i čista snaga bez poremećaja koji mogu doći s prebacivanjem napajanja.

U audio-vizualnoj opremi, linearna napajanja vrlo su korisna za visokokvalitetne audio pojačala i osjetljive audio uređaje.Omogućuju gladak i stabilan napon, što je važno za održavanje kvalitete zvuka netaknutom.Prebacivanje napajanja ponekad može uvesti buku i šiljke koji mogu ometati audio signale, što dovodi do izobličenja zvuka ili neželjenih smetnji.Zbog toga se linearna napajanja preferiraju u vrhunskim audio sustavima gdje je važno održati kvalitetu zvuka čistom i jasnom.

U laboratorijskoj opremi vrlo je važno imati dosljednu i točnu energiju.Uređaji poput laboratorijskih napajanja, koji se koriste za pružanje stalnih i preciznih naponskih izlaza, često se oslanjaju na linearnu regulaciju.Stabilnost koju nudi linearna napajanja osigurava da napon ostaje dosljedan, što je vrlo važno u eksperimentalnim i testiranim okruženjima u kojima čak i male promjene mogu dovesti do pogrešnih rezultata.Ove napajanja dizajnirane su za isporuku čiste, bez buke, koja je potrebna za osjetljiva mjerenja i eksperimenti koji zahtijevaju visoku razinu točnosti.

Linearni napajanje dizajniran je za pružanje dosljednog napona uz minimalnu buku, što ih čini savršenim za situacije u kojima kvaliteta snage izravno utječe na to koliko dobro funkcionira uređaj.Iako možda nisu tako energetski učinkoviti kao prebacivanje napajanja, njihova sposobnost pružanja stabilne i čiste snage čini ih posebno korisnim u specifičnim aplikacijama osjetljivim na buku.Njihova upotreba u audio-vizualnoj i laboratorijskoj opremi pokazuje kako kvaliteta energije igra ključnu ulogu u održavanju performansi i točnosti u tim postavkama.

Usporedba s ostalim vrstama napajanja

Linearni napajanja koriste se za promjenu električne energije iz jednog oblika u drugi, obično pretvaranje izmjenične struje (AC) u izravnu struju (DC).Postoji nekoliko vrsta opskrbe napajanjem, svaka sa svojim karakteristikama:

Slika 4: Neregulirani linearni napajanja

Neregulirane linearne napajanja najosnovnija su vrsta.Pretvaraju AC u DC, ali nemaju dodatne značajke za održavanje napona.To znači da se izlazni napon može promijeniti ako se ulazni napon promijeni ili ako se količina snage koja se koristi (opterećenje) promijeni.Ako se ulazni napon poveća, izlazni napon će se također povećati, a ako se opterećenje poveća, izlazni napon može pasti.Zbog toga ovi opskrba napajanjem nisu idealni za uređaje kojima je potreban stabilan napon da bi pravilno radili.

Slika 5: Ferroresonantno napajanje

Ferroresonantni napajanja koriste posebnu tehniku ​​koja uključuje magnetska polja kako bi izlazni napon bio stabilan.To rade s kombinacijom transformatora i rezonantnog kruga.Magnetska svojstva transformatora pomažu u održavanju stalnog izlaznog napona, čak i ako se ulazni napon ili opterećenje mijenja.Ove napajanja također imaju ugrađenu zaštitu od iznenadnih šiljaka snage, što ih čini pouzdanim na mjestima gdje napajanje nije stabilno.Međutim, obično su velike i teške, što može biti nedostatak u situacijama u kojima su važni veličina i težina.

Slika 6: Način prekidača (SMPS)

Način prekidača (SMPS) dizajnirani su tako da budu učinkovitiji od linearnih napajanja.Rade brzim uključivanjem i isključivanjem ulazne snage pomoću elektroničkih prekidača poput tranzistora.Ova metoda im omogućuje da učinkovitije pretvaraju snagu, što znači da proizvode manje topline i mogu se učiniti manje i lakšim.Međutim, zbog prebacivanja velike brzine, SMP-ovi mogu stvoriti električni šum, što bi moglo ometati druge elektroničke uređaje u blizini.SMP -ovi su također složeniji u dizajnu i mogu biti teže popraviti ako nešto pođe po zlu.

Zaključak

Linearni napajanja još uvijek su izbor u situacijama kada je stalno i bez buke napajanje vrlo potrebno.Njihov jednostavan dizajn i pouzdane performanse čine ih omiljenim u područjima poput audio opreme i laboratorijskog testiranja.Međutim, oni imaju kompromise u pogledu energetske učinkovitosti i veličine, tako da je važno razmišljati o tome za što ih koristite.Kad usporedimo linearne napajanja s drugim vrstama, postaje jasno da, iako oni možda nisu uvijek najvažnija opcija za uštedu energije, njihova sposobnost isporuke čiste i dosljedne snage znači da su i dalje korisne u današnjem tehnološkom svijetu.Razumijevanjem ovih razlika možete donijeti bolje odluke pri odabiru ispravnog napajanja za svoje specifične potrebe.

Često postavljana pitanja [FAQ]

1. Gdje se koriste linearni napajanja?

Linearna napajanja obično se koriste u okruženjima u kojima je stabilna i niska snaga vrlo potrebna.To uključuje visokokvalitetnu audio opremu, medicinske uređaje, laboratorijske instrumente i alati za precizno mjerenje, gdje čak i mala električna buka može ometati rad ili točnost opreme.

2. Koja je učinkovitost linearnog napajanja?

Učinkovitost linearnog napajanja općenito je niska, često oko 50% ili manje.To je zato što napajanje regulira napon raspršivanjem viška energije kao topline, što rezultira značajnim gubitkom energije.

3. Koje su prednosti i nedostaci linearnog napajanja?

Glavna prednost linearnog napajanja je njegova sposobnost pružanja čiste, stabilne i male snage, što je idealno za osjetljivu elektroniku.Nedostaci uključuju nisku učinkovitost, veliku veličinu zbog potrebe za rasipanjem topline i dodatnu energiju koja se troši kao toplina.

4. Koji su nedostaci linearnog regulatora napona?

Nedostaci regulatora linearnog napona uključuju nisku učinkovitost, jer troši veliku snagu kao toplinu i njegovu nemogućnost pojačanja napona, što znači da može smanjiti samo napon s ulazne razine.Uz to, za upravljanje proizvedenom toplinom mogu biti potrebni veliki hladnjaci ili sustavi za hlađenje, što ih čini glomaznim.

5. Koja je najučinkovitija vrsta napajanja?

Najučinkovitija vrsta napajanja je napajanje prekidača (SMPS).Koristi visokofrekventno prebacivanje za pretvaranje snage s minimalnim gubitkom energije, što rezultira mnogo većom učinkovitošću u usporedbi s linearnim opskrbom napajanjem.