Sekundær strømforsyning

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 6. oktober 2020; checks kræver 15 redigeringer .

Sekundær strømforsyning - en enhed, der konverterer parametrene for elektriciteten fra hovedstrømforsyningen (for eksempel et industrielt netværk) til elektricitet med de parametre, der er nødvendige for driften af hjælpeanordninger. Skelne mellem stabiliserede og ustabiliserede sekundære strømforsyninger. [en]

Den sekundære strømforsyning kan integreres i det overordnede kredsløb (normalt i simple enheder; eller når det er nødvendigt at regulere (indstille, ændre) og stabilisere spændingen i et bestemt område, inklusive dynamisk - for eksempel har bundkortene på forskellige computere indbyggede spændingsomformere til at forsyne CPU'en og andre forskellige IC'er , moduler og PU'er , eller når selv et lille spændingsfald på forsyningsledningerne er uacceptabelt), lavet i form af et modul ( strømforsyning , strømstativ osv. ), eller endda placeret i et separat rum ( strømforsyningsværksted ).

Sekundære strømforsyningsopgaver

Sikring af strømoverførsel - strømforsyningen skal sikre overførsel af en given effekt med det mindste tab og overholdelse af de specificerede egenskaber ved udgangen uden skade på sig selv. Normalt tages strømkildens effekt med en vis margin.
Spændingsbølgeformkonvertering - konvertering af AC-spænding til DC , og omvendt, samt frekvenskonvertering , dannelse af spændingsimpulser osv. Oftest er det nødvendigt at konvertere AC-strømfrekvensspænding til DC.
Spændingsstørrelseskonvertering - både op og ned. Ofte er et sæt af flere spændinger af forskellig størrelse nødvendig for at drive forskellige kredsløb.
Stabilisering - spænding, strøm og andre parametre ved udgangen af strømkilden skal ligge inden for visse grænser, afhængigt af dens formål, under påvirkning af et stort antal destabiliserende faktorer: ændringer i indgangsspænding, belastningsstrøm og så videre. Oftest er spændingsstabilisering ved belastningen nødvendig, men nogle gange (for eksempel for at oplade batterier) er strømstabilisering nødvendig.
Beskyttelse - spænding eller belastningsstrøm i tilfælde af en funktionsfejl (for eksempel kortslutning ) af ethvert kredsløb kan overskride de tilladte grænser og deaktivere apparatet eller selve strømkilden. Også i mange tilfælde kræves beskyttelse mod passage af strøm ad den forkerte vej: for eksempel passage af strøm gennem jorden, når en person eller et fremmedlegeme rører de strømførende dele.
Galvanisk isolering af kredsløb er en af foranstaltningerne til at beskytte mod strømmen af strøm langs den forkerte vej.
Justering - under drift kan det være nødvendigt at ændre eventuelle parametre for at sikre korrekt drift af apparatet.
Kontrol - kan omfatte justering, tænd/sluk for alle kredsløb eller strømkilden som helhed. Det kan være både direkte (ved hjælp af kontrollerne på enhedens kabinet) og fjernbetjening, såvel som software (leverer til/fra, justering på et bestemt tidspunkt eller med starten af enhver begivenhed).
Kontrol - visning af parametre ved strømkildens input og output, tænd/sluk kredsløb, betjening af beskyttelser. Det kan også være direkte eller eksternt.

Oftest står sekundære strømkilder over for opgaven med at konvertere elektricitet fra et industrielt vekselstrømsnetværk (for eksempel i Rusland - 240 V 50 Hz, i USA - 120 V 60 Hz).

De to mest typiske designs er transformer og skiftende strømforsyninger.

Transformer

Den klassiske strømforsyning er en transformer PSU, lavet i henhold til et lineært skema. I det generelle tilfælde består den af en step-down transformer eller autotransformer , hvor primærviklingen er designet til netspænding . En ensretter er forbundet til sekundærviklingen , som konverterer vekselspænding til direkte (pulserende ensrettet). I de fleste tilfælde består ensretteren af fire dioder, der danner en diodebro (fuldbølgeensretter), sjældnere - fra en diode (halvbølgeensretter). Andre kredsløb bruges nogle gange, såsom i spændingsfordoblingsensrettere. Et filter er installeret efter ensretteren , der udjævner svingninger (bølger). I sin enkleste form er det en stor kondensator .

Også højfrekvente interferensfiltre, bursts ( varistorer ) , kortslutningsbeskyttelse (kortslutning), spændings- og strømstabilisatorer kan installeres i kredsløbet .

Transformer dimensioner

Fra den 3. Maxwell-ligning, som er en matematisk registrering af Faradays lov om elektromagnetisk induktion , følger det, at EMF induceret i en drejning af viklingen, der dækker den tidsvarierende magnetiske flux , er lig med: $\textstyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t)),$ $E_1$ $\Phi$

E_{1}={\frac {d\Phi }{dt}}~.

Med en sinusformet ændring i udsigt: $\Phi$

\Phi (t)=\Phi _{0}\cdot sin(\omega t)~,

hvor:

\Phi _{0}

- amplitude (maksimum) værdi ;

\Phi

\omega

er vinkelfrekvensen ;

t

- tid.

Dette indebærer:

E_{1}(t)=\Phi _{0}\cdot \omega \cdot sin(\omega t)~.

Magnetisk flux er relateret til magnetisk induktion [2] med formlen: $B$

\Phi =B\cdot S~,

hvor er løkkens areal. $S$

Med en praktisk vigtig sinusformet ændring i transformere ifølge loven: $B(t)$

B(t)=B_{0}\cdot sin(\omega t)~,

hvor er amplituden (maksimal) værdien af induktionen i kernen ( magnetisk kredsløb ) af transformeren. $B_{0}$

Derfor er EMF for en omgang af sekundærviklingen i transformatorer, hvis primære vikling er fodret med en sinusformet strøm, og hvis ferromagnetiske magnetiske kredsløb ikke går i magnetisk mætning , udtrykt ved formlen:

E_{1}(t)=B_{0}\cdot S\cdot \omega \cdot sin(\omega t)~.

I praksis og i beregninger af transformere er det ikke amplituden, men den effektive (effektive) værdi af EMF'en eller spændingen, der, i tilfælde af en sinusformet ændring, er forbundet med amplitudeværdien af EMF ved udtrykket:

E_{eff}={\frac {\sqrt {2}}{2}}E_{0}~.

Udskiftning af den sidste formel i EMF-udtrykket i en omgang og tager højde for det

$\omega =2\cdot \pi \cdot f,$ $f$ - frekvens , vi har den grundlæggende formel til beregning af antallet af omdrejninger af transformatorviklingerne, da viklingens EMF er direkte proportional med antallet af omdrejninger i viklingen:

E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\ca. 4.43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f~,

hvor er den effektive EMF af en omgang. ${\displaystyle E_{eff1))$

Effekt givet af transformatorens sekundære vikling: $P$

P=U\cdot I~,

hvor:

U

- viklingsspænding under belastning;

jeg

- viklingsstrøm.

Da den maksimale viklingsstrøm er begrænset af den begrænsende strømtæthed i viklingslederne for et givet tværsnit og , følger det, at for at øge transformatorens effekt uden at ændre dens dimensioner, er det nødvendigt at øge og / eller . $U\sim E_{eff1}$ $B_{0}$ $f$

En betydelig stigning forhindres af fænomenet med magnetisk mætning af kernen. Ved mætning, som forekommer ved yderpunkterne af strømmen af primærviklingen i perioden, hvoraf det følger, at: for det første falder reaktansen af primærviklingen, hvilket forårsager en stigning i tomgangsstrømmen og en stigning i opvarmning af viklingen på grund af ohmsk modstand, og for det andet stiger hysteresetab grund af magnetisk vending af det magnetiske kredsløb, da arealet af hysteresesløjfen øges, hvilket forårsager en stigning i varmetabet i det magnetiske kredsløb. $B_{0}$

Ud fra synspunktet om tab i det magnetiske kredsløb er det nødvendigt at reducere den maksimale induktion i det magnetiske kredsløb ( ) så meget som muligt, men denne tilgang er ikke økonomisk gennemførlig, da den alt andet lige øger dimensionerne og transformatorens materialeforbrug. Derfor er de i det magnetiske kredsløb valgt ud fra et rimeligt kompromis, og for laveffekttransformere øges de, og for kraftige transformere falder de. Dette skyldes det faktum, at den magnetiske kerne i en lille transformer afkøles mere effektivt end i store transformere. For elektriske stål i industrielle frekvenstransformatorer vælger de mellem 1,1-1,35 T i transformere med en effekt på op til hundredvis af W og fra 0,7 til 1,0 T for højeffekttransformere af distributionsstationer. ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$

Baseret på den anvendte praktiske formel, opnået ved at indsætte i den teoretiske værdi af EMF for spolen med den givne værdi og frekvens på 50 Hz : ${\displaystyle B_{m))$ ${\displaystyle B_{m))$

E_{eff1}={\frac {S}{33...70}}~.

Her udtrykt i cm 2 - i volt. Mindre nævnerværdier er valgt for laveffekttransformatorer, store for kraftige. $S$ ${\displaystyle E_{eff1))$

En anden måde at øge en transformers effekt på er at øge driftsfrekvensen. Omtrent kan vi antage, at for en given størrelse af transformeren er dens effekt direkte proportional med driftsfrekvensen. Derfor gør en forøgelse af frekvensen med en faktor på en konstant effekt det muligt at reducere størrelsen af transformeren med en faktor (tværsnitsarealet af det magnetiske kredsløb falder med en faktor), eller følgelig dens masse af en faktor. $k$ $\sim {\sqrt {k))$ $\sim k$ $\sim {\sqrt[{3/2}]{k))$

Især, herunder af disse grunde, anvendes normalt en frekvens på 400 Hz med en spænding på 115 V i fly- og skibes strømnetværk om bord .

Men en stigning i frekvensen forværrer magnetiske kredsløbs magnetiske egenskaber, hovedsageligt på grund af en stigning i hysteresetab, derfor bruges ferrodielektriske magnetiske kredsløb af transformatorer ved driftsfrekvenser over nogle få kHz, for eksempel ferrit eller lavet af carbonyljern.

Moderne kilder til sekundær strømforsyning til forskellige husholdningsapparater, computere, printere osv. udføres nu i de fleste tilfælde i henhold til skemaerne for pulserende kilder og har næsten fuldstændig erstattet klassiske transformere. I sådanne kilder udføres den galvaniske adskillelse af det tilførte kredsløb og forsyningsnetværket, der opnår et sæt nødvendige sekundære spændinger, ved hjælp af højfrekvente transformere med ferritkerner. Kilden til højfrekvent spænding er pulsnøglekredsløb med halvledernøgler, normalt transistornøgler . Brugen af sådanne enheder, ofte kaldet invertere , giver dig mulighed for at reducere vægten og dimensionerne af enheden mange gange, samt yderligere forbedre kvaliteten og pålideligheden af strømforsyningen, da pulserende kilder er mindre kritiske for kvaliteten af strømforsyningen i det primære netværk - de er mindre følsomme over for stigninger og fald i netspændingen og ændringer i dens frekvens.

Fordele og ulemper

Fordele ved transformer strømforsyninger.

Enkelt design.
Pålidelighed .
Mindre følsom over for overspændinger i netværket: For at deaktivere en sådan strømforsyning skal impulsen beskadige drej-til-sving-isoleringen af netværkstransformatoren.
Fraværet af radiointerferens [note 1] (i modsætning til pulsinterferens på grund af harmoniske komponenter [3] ).

Ulemper ved transformer strømforsyninger.

Stor vægt og dimensioner i forhold til effekten.
Afvejning mellem reduceret effektivitet og udgangsspændingsstabilitet: For at sikre en stabil spænding kræves en regulator, der introducerer yderligere tab.

Ansøgning

Lineære strømforsyninger er meget udbredt i forskellige lavspændings elektriske apparater. I daglig tale omtales de ofte som strømadaptere eller blot adaptere. Opladere har et lignende design og kan også bruges som strømforsyninger.

Skiftende strømforsyning

Skiftende strømforsyninger er et invertersystem . Ved omskiftning af strømforsyninger bliver AC-indgangsspændingen først ensrettet. Den resulterende jævnspænding konverteres til rektangulære impulser med øget frekvens og en vis driftscyklus , enten leveret til transformeren (i tilfælde af pulserende strømforsyninger med galvanisk isolation fra lysnettet) eller direkte til udgangs -lavpasfilteret (i pulseret strømforsyning) strømforsyninger uden galvanisk isolering). I pulsstrømforsyninger kan små transformere bruges - dette skyldes, at med stigende frekvens øges transformatorens effektivitet, og kravene til dimensionerne (sektionen) af kernen, der kræves for at overføre ækvivalent effekt, falder. I de fleste tilfælde kan en sådan kerne være lavet af ferromagnetiske materialer, i modsætning til kernerne i lavfrekvente transformatorer, som bruger elektrisk stål.

Ved omskiftning af strømforsyninger tilvejebringes spændingsstabilisering gennem negativ feedback . Feedback giver dig mulighed for at holde udgangsspændingen på et relativt konstant niveau, uanset udsving i indgangsspændingen og belastningen. Feedback kan organiseres på mange forskellige måder. I tilfælde af impulskilder med galvanisk isolering fra lysnettet er de mest almindelige metoder at bruge kommunikation gennem en af transformerens udgangsviklinger eller ved hjælp af en optokobler . Afhængigt af størrelsen af tilbagekoblingssignalet (afhængigt af udgangsspændingen), ændres driftscyklussen af impulserne ved udgangen af PWM -controlleren . Hvis afkobling ikke er påkrævet, bruges en simpel resistiv spændingsdeler generelt . Strømforsyningen opretholder således en stabil udgangsspænding.

Fordele og ulemper

Fordele ved at skifte strømforsyning

Sammenlignelige i udgangseffekt med lineære stabilisatorer, har de tilsvarende koblingsregulatorer følgende hovedfordele:

mindre vægt på grund af, at det med stigende frekvens er muligt at anvende mindre transformere med samme transmitterede effekt. Massen af lineære stabilisatorer består hovedsageligt af kraftige tunge lavfrekvente krafttransformatorer og kraftfulde radiatorer af kraftelementer, der fungerer i en lineær tilstand. På grund af den øgede konverteringsfrekvens er dimensionerne af udgangsspændingsfilteret desuden væsentligt reduceret (kondensatorer med meget mindre kapacitet kan bruges end til ensrettere, der arbejder ved industriel frekvens). Selve ensretteren kan fremstilles efter det enkleste halvbølgekredsløb uden risiko for at øge udgangsspændingens rippel;
betydeligt højere effektivitet (op til 90-98%) på grund af det faktum, at hovedtabene i omskiftningsregulatorer er forbundet med transienter på tidspunktet for skift af nøgleelementet. Da nøgleelementerne det meste af tiden er i en af de stabile tilstande (det vil sige enten tændt eller slukket), er energitabet minimalt [4] ;
- det følger direkte af dette, at med samme kredsløb og elementbase øges effektiviteten med et fald i konverteringsfrekvensen, da transiente processer tager en forholdsmæssigt mindre del af tiden. Samtidig vokser viklingselementernes dimensioner dog - men det giver også en gevinst, grundet et fald i ohmske tab.
lavere omkostninger på grund af masseproduktionen af en samlet elementbase og udviklingen af nøgletransistorer med høj effekt. Derudover skal det bemærkes de betydeligt lavere omkostninger ved pulstransformatorer med en sammenlignelig transmitteret effekt og muligheden for at bruge mindre kraftfulde strømelementer, da deres driftsform er nøglen;
pålidelighed sammenlignelig med lineære stabilisatorer .
Strømforsyninger til computerudstyr, kontorudstyr og det meste forbrugerelektronik er næsten udelukkende pulseret ("sort" forbrugerelektronik, såsom tv'er og afspillere, har som regel en pulseret PSU med fuld galvanisk isolering og en optokobler). Lineære BP'er overlevede hovedsageligt kun i følgende områder:
- til at forsyne svagstrøms kontroltavler til husholdningsapparater såsom vaskemaskiner, mikrobølgeovne og varmekedler og højttalere. Samtidig er PSU'en til lavstrømskontroltavlen til vask og opvaskemaskiner Electrolux / Zanussi / AEG (disse tre elementer er et eksempel på rebranding, teknisk set er produkterne de samme og har udskiftelige reparationsenheder og reservedele) af prøve omkring 2010 - pulseret, samt PSU'en til Philips Saeco-maskiner med lavstrøms kaffebræt. Disse puls-PSU'er har ikke galvanisk isolation ("nul", og nogle gange er "fasen" af 220V-kablet, der kommer ind fra stikket, "kredsløbsjorden" af lavstrømskredsløbet, kombinationen af "fasen" med "lavstrømsjord" er gjort for at forenkle relæ-/triac-styrekredsløbene og undgå tilførsel af en uafbrudt "fase" til de mekaniske komponenter i produktet, hvilket reducerer den elektriske sikkerhed - kun "nul" og "fase efter relæet / triac" leveres til de mekaniske komponenter, når relæet/triac er lukket, er et livsfarligt elektrisk stød umuligt) for at spare på optokobleren og optager et område på brættet, der kan sammenlignes med størrelsen af en cigarettænder. PSU til lavstrømsdelen af Buderus Logamax varmekedler (med UBA H3 print) - klassisk lineær, med en stor transformer og fuld galvanisk isolering af 220V siden med lavstrøm gennem 3 optokoblere (styring af røgudsugningsmotor, styring af cirkulationspumpens motor og aflæsninger fra ioniseringsflammekontrolelektroden - kredsløbet, der er forbundet med denne elektrode, er på 220V-siden, desuden fører sparring på detaljer og forenkling af dette særlige kredsløb til en "faseafhængighed" af kedlen - det gør det Ligegyldigt hvilken side dens 220V-stik er sat i stikkontakten, fordi det enkleste enkelttransistorkredsløb i IEKP'en kræves, at der tilføres nøjagtigt 220V til elektroden, og ikke "nul", i forhold til den "gul-grønne jord". ").
- til lav-effekt kontrolenheder af høj og ultra-høj pålidelighed, designet til mange års kontinuerlig drift uden vedligeholdelse eller vanskelig vedligeholdelse, såsom digitale voltmetre i elektriske paneler eller automatisering af produktionsprocesser,
- til at drive højkvalitets lavfrekvente forstærkere (ULF).
en bred vifte af forsyningsspænding og frekvens, uopnåelig til en sammenlignelig pris lineær. I praksis betyder det muligheden for at bruge den samme skiftende strømforsyning til bærbar digital elektronik i forskellige lande i verden - Rusland / USA / England, som er meget forskellige i spænding og frekvens i standardstikkontakter.
tilstedeværelsen i de fleste moderne PSU'er af indbyggede beskyttelseskredsløb fra forskellige uforudsete situationer, for eksempel fra en kortslutning og fra manglende belastning ved udgangen.

Ulemper ved at skifte strømforsyning

Driften af hoveddelen af kredsløbet uden galvanisk isolation fra netværket, hvilket især gør det noget vanskeligt at reparere sådanne strømforsyninger.
Uden undtagelse er alle skiftende strømforsyninger en kilde til højfrekvent interferens , da dette skyldes selve princippet om deres drift. Derfor er det nødvendigt at tage yderligere interferensdæmpende foranstaltninger, som ofte ikke helt eliminerer interferens. I denne forbindelse er brugen af pulserende strømforsyninger til visse typer udstyr ofte uacceptabel [3] .
Skiftende strømforsyninger har som regel en grænse for minimumsbelastningseffekten. Hvis belastningseffekten er under minimum, starter strømforsyningen enten ikke, eller udgangsspændingsparametrene (værdi, stabilitet) falder muligvis ikke inden for de tilladte afvigelser.
I distribuerede strømsystemer: effekten af multipla af tre harmoniske . I nærvær af effektive effektfaktorkorrektorer og filtre i indgangskredsløbene er denne ulempe normalt ikke relevant.

Se også

Litteratur

Veresov GP Strømforsyning af radio-elektronisk husholdningsudstyr . - M . : Radio og kommunikation, 1983. - S. 5. - 128 s. — 60.000 eksemplarer. Arkiveret 27. juli 2009 på Wayback Machine
Kitaev VV et al. Strømforsyning til kommunikationsenheder . - M . : Kommunikation, 1975. - 328 s. — 24.000 eksemplarer. Arkiveret 17. marts 2013 på Wayback Machine
Bityukov V.K. Simachkov D.S. Kilder til sekundær strømforsyning. M. . - Infra-Engineering, 2017. - 326 s. - ISBN 978-5-9729-0171-5 .
Kostikov VG, Parfenov EM, Shakhnov VA Strømkilder til elektroniske enheder. Kredsløb og design: Lærebog for gymnasier. - 2. - M . : Hotline - Telecom, 2001. - 344 s. - 3000 eksemplarer. — ISBN 5-93517-052-3 .

Noter

Kommentarer

↑ Men i kraftige transformatorstrømforsyninger opstår der impulsstøj på grund af det faktum, at strømmen, der løber gennem ensretterdioderne (og transformatorens sekundære vikling) har form af korte impulser, fordi dioden ikke er åben i hele halvdelen -cyklus, men i kort tid nær sinusformens maksimum, når den øjeblikkelige værdi AC-spænding på sekundærviklingen overstiger DC-spændingen på filtertanken).

Kilder

↑ Sekundær strømforsyning // Strømelektronik: en kort encyklopædisk ordbog over termer og definitioner - M .: MPEI Publishing House, 2008
↑ Her mener vi den gennemsnitlige induktion i kredsløbet, der omgiver spolen. I et ensartet magnetfelt, hvis induktionsvektor er vinkelret på spolens plan - kun størrelsen af induktionen.
↑ 1 2 Skift af strømforsyning . Hentet 17. juni 2015. Arkiveret fra originalen 17. juni 2015. (ubestemt)
↑ Sammenligning af lineære og skiftende strømforsyninger . Hentet 17. juni 2015. Arkiveret fra originalen 9. maj 2015. (ubestemt)

Sekundær strømforsyning

Sekundære strømforsyningsopgaver

Transformer

Transformer dimensioner

Fordele og ulemper

Ansøgning

Skiftende strømforsyning

Fordele og ulemper

Se også

Litteratur

Links

Noter