na 2024/08/28 298

Linearni napajalniki

V svetu elektronike so napajalniki naprave, ki poskrbijo, da vse poteka nemoteno in pravilno.Med različnimi vrstami, ki so na voljo, so linearni napajalniki znani po tem, da zagotavljajo stalen in zanesljiv pretok električne energije z zelo malo hrupa.Ta članek bo razložil, kako delujejo linearni napajalniki, iz katerih deli so sestavljeni in kje so najbolj koristni.Primerjali jih bomo tudi z drugimi vrstami napajalnikov in vam pomagali razumeti, zakaj so še vedno izbrani za določene situacije, čeprav so na voljo novejše, bolj energetsko učinkovite možnosti.

Katalog

Slika 1: Linearno napajanje

Kaj je linearno napajanje?

Linearno napajanje je vrsta napajalne naprave, ki z neprekinjeno nastavitev upornosti zagotavlja stalen in konsistenten izhod napetosti.Ta metoda se izogne ​​uporabi hitrega preklopa, zaradi česar je preprostejša in idealna za zagotavljanje čiste in zanesljive moči različnim elektronskim napravam.

Postopek se začne s povratnim sistemom, ki nenehno preverja izhodno napetost.To napetost primerjamo z nastavljeno referenčno napetostjo z uporabo diferencialnega ojačevalnika, vezja, ki pomaga zagotoviti natančnost.Če se izhodna napetost razlikuje od reference, ojačevalnik ustvari signal, da popravi razliko.Ta signal nadzoruje del, imenovan prehodni element, ki bi lahko bil tranzistor ali tranzistor na terenu (FET).Prehodni element deluje kot spremenljivi upor, prilagaja upornost, da se napetost ohrani na pravi ravni.

Na primer, če se vhodna napetost poveča, prehodni element poveča upornost, da prepreči naraščanje izhodne napetosti.Po drugi strani pa, če se vhodna napetost zmanjša, prehodni element znižuje upor, da omogoči več toka, kar zagotavlja, da izhodna napetost ostane stabilna.

Ta neprekinjena nastavitev zagotavlja, da napajanje prinaša dosledno napetost, tudi ko se vhodna napetost ali obremenitev spremeni.Enostavnost linearnega napajanja omogoča zanesljivo in ustvari zelo malo električnega hrupa, kar je koristno za naprave, ki potrebujejo stabilno moč.Vendar je ta vrsta napajanja na splošno manj učinkovita, saj se dodatna energija sprosti kot toplota, kar pomeni, da morda potrebuje večje hladilne sisteme in porabi več moči.

Komponente linearnega napajanja

Slika 2: Komponente linearnega napajanja

Vhodni transformator napajanja

V linearnem napajanju je transformator prva komponenta, ki deluje z izmenično močjo iz omrežja.Njegova glavna naloga je Spremenite napetost na raven, ki je primerna za napravo, bodisi tako, da jo zniža (kar je pogosteje) ali pa jo povečuje, odvisno od potreb naprave.Transformator zagotavlja tudi zaščito z ločevanjem napajanja z omrežja, kar zmanjšuje tveganje za električne nevarnosti.V aplikacijah z večjo energijo je lahko transformator precej velik, kar poveča skupno velikost in težo napajanja.Odvisno od tega, kako je napajanje zasnovan, lahko transformator eno ali več sekundarnih navijanja za izdelavo različnih izhodnih napetosti.

Usmernik

Ko transformator prilagodi napetost, je treba izmenično moč pretvoriti v DC moč, ki jo naredi usmernik.Usmernik je ključni del napajanja in je na voljo v različnih nastavitvah. Napol valovanja Uporablja eno diodo za pretvorbo samo polovico izmeničnega cikla v DC, zaradi česar je manj učinkovit in daje več nihanj izhoda, ki jih je težje zgladiti. Popolno valovna popravljanje je učinkovitejši in uporablja obe polovici izmeničnega cikla.To je mogoče storiti s transformatorjem v središču in dvema diodama ali z nastavitvijo mostu, ki uporablja štiri diode.Mostični usmernik se pogosteje uporablja pri sodobnih modelih, ker je učinkovitejši.Sodobni usmerniki običajno uporabljajo polprevodniške diode Kot Pn Junction Diode ali Schottky Diode.Schottky diode so pogosto izbrane, ker izgubijo manj napetosti, ko tok preide skozi njih, zaradi česar so učinkovitejši, čeprav lahko nekatere tok omogočijo, da pušča in imajo nižji prag napetosti, preden se razbijejo.

Kondenzator za glajenje

Ko usmernik pretvori AC v DC, izhod ni popolnoma gladek in vsebuje nihanja napetosti, ki niso zaželena za večino elektronskih vezij.Kondenzator glajenja pomaga celo te nihanja z polnjenjem med visokimi točkami popravljene valovne oblike in sproščanjem naboja, ko pade valovna oblika.To pomaga DC napetost naj bo bolj enakomerna.Čeprav kondenzator močno zmanjša nihanja, jih ne odstrani v celoti.Sposobnost kondenzatorja, da zmanjša ta nihanja, je odvisna od njegove velikosti in količine toka, ki jo potrebuje obremenitev.

Regulator napetosti

Regulator napetosti je glavni sestavni del linearnega napajanja, ki zagotavlja, da izhodna napetost ostane stalna, tudi če se vhodna napetost ali obremenitev spremeni.Obstajata dve glavni vrsti linearnih regulatorjev: Regulator shunt in regulator serij.

Regulator shunt je manj pogost in deluje tako, da postavi spremenljivo komponento čez obremenitev, ki absorbira dodaten tok, da se izhodna napetost ohranja stabilna.Ta vrsta regulatorja se uporablja, kadar je potreben natančen nadzor napetosti, čeprav morda ni zelo učinkovit.Zaradi manjše učinkovitosti se običajno uporablja le v določenih situacijah.

Regulator serije je najpogosteje uporabljen tip linearnega regulatorja.V tej nastavitvi je spremenljivi upor postavljen zaporedno z obremenitvijo, krmilni vezje pa prilagodi upor, da vzdržuje želeno izhodno napetost.Enostavnost in učinkovitost regulatorja serije je priljubljena izbira za številne linearne modele napajanja.Zagotavlja dober nadzor napetosti z relativno preprostm dizajnom, zaradi česar je primeren za široko paleto uporabe.

Prednosti in slabosti linearnih napajalnikov

Prednosti

Linearni napajalniki imajo več prednosti, zlasti v situacijah, ko sta potrebna stabilnost in tiho delovanje.Ena glavnih prednosti je, da ustvarjajo zelo malo hrupa.Za razliko od preklopnih napajalnikov, ki hitro vklopijo in izklopijo tok, linearni napajalniki vztrajno ohranjajo tok.To pomanjkanje hitrega preklopa pomeni, da ne ustvarjajo veliko elektromagnetnih motenj, zaradi česar so dobra izbira za občutljive elektronske naprave, kot so avdio sistemi, medicinska oprema in instrumenti, ki potrebujejo natančne meritve.

Druga korist je njihova zanesljiva zmogljivost.Linearni napajalniki že dolgo obstajajo, njihova tehnologija pa je dobro znana in zanesljiva.Ker se uporabljajo že toliko let, je njihova uspešnost dosledna in dobro razumljena.Inženirji in oblikovalci lahko računajo, da bodo te zaloge delovali dosledno, kar je zelo koristno v situacijah, ko je zanesljivost nujna.

Slabosti

Vendar imajo linearni napajalniki nekaj pomanjkljivosti, predvsem ko gre za to, kako dobro uporabljajo energijo in svojo velikost.Ena največjih pomanjkljivosti je njihova nizka učinkovitost.Te zaloge običajno učinkovito porabijo le približno 50% vhodne energije, pri čemer je druga polovica zapravljena, običajno kot toplota.Ta nizka učinkovitost se zgodi, ker oskrba nadzoruje napetost tako, da se znebi dodatne energije, ki zapravlja veliko energije.

Ta zapravljena energija vodi v drugo težavo: Generacija toplote .Energija, ki se ne uporablja, ustvarja toploto, ki jo je treba upravljati, da se napajanje in povezave naprave ne poškodujejo.To pogosto pomeni dodajanje dodatnih delov, kot so hladilniki ali hladilni ventilatorji, zaradi česar lahko zasnovo postane bolj zapleten in poveča stroške.

Nazadnje so linearni napajalniki večji in težji kot preklop napajalnikov.Za zmanjšanje napetosti in dodatnih delov potrebujejo velike transformatorje za upravljanje toplote, zaradi česar so ti napajalniki obsežni.To je lahko velika pomanjkljivost v situacijah, kjer sta pomembna prostor in teža, na primer v prenosni ali kompaktni napravi.

Uporaba linearnih napajalnikov

Slika 3: Uporaba linearnih napajalnikov

Linearni napajalniki, čeprav niso tako energetsko učinkoviti kot njihovi stikalni kolegi, so pogosto izbrani za določene situacije, kjer je potrebna stalna in brez hrupa.Ti napajalniki so še posebej uporabni v okoljih, kjer je potrebna stabilna in čista moč brez motenj, ki lahko pridejo do preklopa napajalnikov.

V avdio-vizualni opremi so linearni napajalniki zelo uporabni za kakovostne zvočne ojačevalnike in občutljive zvočne naprave.Zagotavljajo gladko in enakomerno napetost, kar je pomembno za ohranjanje nedotaknjene kakovosti zvoka.Preklopni napajalniki lahko včasih vnesejo hrup in trne, ki lahko motijo ​​zvočne signale, kar vodi do izkrivljanja zvoka ali neželenih motenj.Zaradi tega so v zvočnih sistemih višjega cenovnega razreda prednostni linearni napajalniki, kjer je pomembno, da se kakovost zvoka ohranja čista in jasna.

V laboratorijski opremi je zelo pomembno imeti dosledno in natančno moč.Naprave, kot so laboratorijski napajalniki, ki se uporabljajo za zagotavljanje stalnih in natančnih napetostnih izhodov, se pogosto zanašajo na linearno regulacijo.Stabilnost, ki jo ponujajo linearni napajalniki, zagotavlja, da napetost ostane dosledna, kar je zelo pomembno v eksperimentalnih in testnih okoljih, kjer lahko celo majhne spremembe vodijo do napačnih rezultatov.Ti napajalniki so zasnovani tako, da zagotavljajo čisto moč brez hrupa, ki je potrebna za občutljive meritve in poskuse, ki zahtevajo visoko stopnjo natančnosti.

Linearni napajalniki so zasnovani tako, da zagotavljajo dosledno napetost z minimalnim hrupom, zaradi česar so popolni za situacije, ko kakovost energije neposredno vpliva na to, kako dobro deluje naprava.Čeprav morda niso tako učinkovite kot preklopne napajalnike, jih zaradi njihove sposobnosti zagotavljanja stabilne in čiste energije še posebej koristno pri specifičnih aplikacijah, občutljivih na hrup.Njihova uporaba v avdiovizualni in laboratorijski opremi prikazuje, kako kakovost energije igra ključno vlogo pri ohranjanju zmogljivosti in natančnosti v teh nastavitvah.

Primerjava z drugimi vrstami napajanja

Linearni napajalniki se uporabljajo za spreminjanje električne energije iz ene oblike v drugo, običajno pretvori izmenični tok (AC) v neposredni tok (DC).Obstaja več vrst napajalnikov, vsaka s svojimi lastnostmi:

Slika 4: Neregulirani linearni napajalniki

Neregulirani linearni napajalniki so najosnovnejši tip.Pretvorijo AC v DC, vendar nimajo dodatnih funkcij, da bi napetost ostala enakomerna.To pomeni, da se lahko izhodna napetost spremeni, če se vhodna napetost spremeni ali če se spremeni količina energije (obremenitev).Če vhodna napetost narašča, se bo tudi izhodna napetost dvignila in če se obremenitev poveča, lahko izhodna napetost pade.Zaradi tega ti napajalniki niso idealni za naprave, ki potrebujejo stabilno napetost za pravilno delo.

Slika 5: Napajanje z močjo Ferroresonant

Ferroresonantni napajalniki uporabljajo posebno tehniko, ki vključuje magnetna polja, da izhodna napetost ohranja stabilna.To počnejo s kombinacijo transformatorja in resonančnega vezja.Magnetne lastnosti transformatorja pomagajo ohraniti enakomerno izhodno napetost, tudi če se vhodna napetost ali obremenitev spremeni.Ti napajalniki imajo tudi vgrajeno zaščito pred nenadnimi močmi električne energije, zaradi česar so zanesljivi na mestih, kjer napajanje ni stabilno.Vendar so ponavadi velike in težke, kar je lahko pomanjkljivost v situacijah, v katerih sta pomembna in teža pomembna.

Slika 6: Napajanje načina stikala (SMPS)

Napajalni napajalniki (SMP) so zasnovani tako, da so učinkovitejši od linearnih napajalnikov.Delujejo tako, da hitro vklopijo in izklopijo vhodno vklopljeno in izklopijo z elektronskimi stikali, kot so tranzistorji.Ta metoda jim omogoča učinkovitejše pretvorbo energije, kar pomeni, da proizvajajo manj toplote in jih je mogoče narediti manjše in lažje.Vendar pa lahko zaradi stikala za visoke hitrosti SMP ustvari električni hrup, kar lahko ovira druge elektronske naprave v bližini.SMP -ji so tudi bolj zapleteni v oblikovanju in jih je težje popraviti, če gre kaj narobe.

Zaključek

Linearni napajalniki so še vedno izbira v situacijah, ko je zelo potrebno stabilno in brez hrupa.Njihova preprosta zasnova in zanesljiva zmogljivost sta najljubša na področjih, kot sta zvočna oprema in laboratorijska testiranja.Vendar imajo kompromise glede na energetsko učinkovitost in velikost, zato je pomembno razmišljati o tem, za kaj jih uporabljate.Ko primerjamo linearne napajanja z drugimi vrstami, postane jasno, da čeprav niso vedno najbolj varčna možnost, njihova sposobnost zagotavljanja čiste in dosledne moči pomeni, da so še vedno uporabne v današnjem tehnološkem svetu.Z razumevanjem teh razlik lahko pri izbiri pravega napajanja za vaše posebne potrebe sprejemate boljše odločitve.

Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]

1. Kje se uporabljajo linearni napajalniki?

Linearni napajalniki se običajno uporabljajo v okoljih, kjer je zelo potrebna stabilna in nizko hrupna moč.To vključuje kakovostno zvočno opremo, medicinske pripomočke, laboratorijske instrumente in natančno merilna orodja, kjer lahko celo majhen električni hrup moti delovanje ali natančnost opreme.

2. Kakšna je učinkovitost linearnega napajanja?

Učinkovitost linearnega napajanja je na splošno nizka, pogosto okoli 50% ali manj.To je zato, ker napajanje uravnava napetost z razpršitvijo odvečne energije kot toplote, kar ima za posledico znatno izgubo energije.

3. Kakšne so prednosti in slabosti linearnega napajanja?

Glavna prednost linearnega napajanja je njegova sposobnost zagotavljanja čiste, stabilne in nizko hrupa, ki je idealna za občutljivo elektroniko.Slabosti vključujejo nizko učinkovitost, veliko velikost zaradi potrebe po odvajanju toplote in dodatne energije, zapravljene kot toplota.

4. Kakšne so slabosti regulatorja linearne napetosti?

Slabosti linearnega regulatorja napetosti vključujejo nizko učinkovitost, saj zapravlja veliko moči kot toploto in njegovo nezmožnost povečanja napetosti, kar pomeni, da lahko le zmanjša napetost z vhodne ravni.Poleg tega lahko za upravljanje proizvedene toplote potrebujejo velike toplotne umivalnike ali hladilne sisteme, zaradi česar so zajetni.

5. Kaj je najučinkovitejša vrsta napajanja?

Najučinkovitejša vrsta napajanja je napajanje v stikalu (SMPS).Uporablja visokofrekvenčno preklop za pretvorbo energije z minimalno izgubo energije, kar ima za posledico veliko večjo učinkovitost v primerjavi z linearnimi napajalniki.