na 2024/08/28 308

Zasilacze liniowe

W świecie elektroniki zasilacze to urządzenia, które upewniają się, że wszystko działa płynnie i poprawnie.Wśród różnych dostępnych rodzajów zasilacze liniowe są znane z zapewnienia stałego i niezawodnego przepływu energii elektrycznej o bardzo niewielkim hałasie.W tym artykule wyjaśniono, jak działają zasilacze liniowe, z których części są wykonane i gdzie są najbardziej przydatne.Porównamy je również z innymi rodzajami zasilaczy, pomagając zrozumieć, dlaczego nadal są wybierane w niektórych sytuacjach, mimo że dostępne są nowsze, bardziej energooszczędne opcje.

Katalog

Rysunek 1: Zasilanie liniowe

Co to jest zasilacz liniowy?

Zasilanie liniowe to rodzaj urządzenia zasilania, które zapewnia stałe i spójne wyjście napięcia poprzez ciągłe regulując opór.Ta metoda pozwala uniknąć szybkiego przełączania, dzięki czemu jest prostsza i idealna do dostarczania czystej i niezawodnej mocy na różne urządzenia elektroniczne.

Proces rozpoczyna się od systemu sprzężenia zwrotnego, który nieustannie sprawdza napięcie wyjściowe.Napięcie to jest porównywane z ustalonym napięciem odniesienia za pomocą wzmacniacza różnicowego, obwodu, który pomaga zapewnić dokładność.Jeśli napięcie wyjściowe różni się od odniesienia, wzmacniacz generuje sygnał, aby poprawić różnicę.Sygnał ten kontroluje część zwaną elementem PASS, która może być tranzystorem lub tranzystorem skutkiem pola (FET).Element przełęczy działa jak zmienny rezystor, dostosowując jego rezystancję, aby utrzymać napięcie na prawym poziomie.

Na przykład, jeśli napięcie wejściowe wzrośnie, element przełęczy zwiększa jego rezystancję, aby zapobiec wzroście napięcia wyjściowego.Z drugiej strony, jeśli napięcie wejściowe maleje, element przełęczy obniża jego rezystancję, aby umożliwić większy prąd, zapewniając, że napięcie wyjściowe pozostanie stabilne.

Ta ciągła regulacja zapewnia, że ​​zasilacz zapewnia spójne napięcie, nawet gdy zmienia się napięcie wejściowe lub obciążenie.Prostota liniowego zasilacza sprawia, że ​​jest niezawodny i wytwarza bardzo mało szumu elektrycznego, co jest pomocne dla urządzeń wymagających stabilnej mocy.Jednak ten rodzaj zasilacza jest ogólnie mniej wydajny, ponieważ dodatkowa energia jest uwalniana jako ciepło, co oznacza, że ​​może wymagać większych systemów chłodzenia i zużywać większej mocy.

Komponenty liniowego zasilacza

Rysunek 2: Składniki liniowego zasilania

Transformator wejściowy zasilacza

W liniowym zasilaczu transformator jest pierwszym składnikiem, który oddziałuje z mocą prądu przemiennego z sieci.Jego głównym zadaniem jest Zmień napięcie do poziomu odpowiedniego dla urządzenia, albo poprzez jego obniżenie (co jest bardziej powszechne) lub zwiększenie go, w zależności od potrzeb urządzenia.Transformator zapewnia również ochronę poprzez oddzielenie zasilania od sieci, zmniejszając ryzyko zagrożeń elektrycznych.W zastosowaniach o większej mocy transformator może być dość duży, co zwiększa ogólną wielkość i wagę zasilacza.W zależności od sposobu zaprojektowania zasilacza może mieć transformator jedno lub więcej wtórnych uzwojeń Aby wytworzyć różne napięcia wyjściowe.

Prostownik

Po dostosowaniu napięcia transformatora zasilanie prądu przemiennego musi zostać przekształcone w zasilanie prądu stałego, który jest wykonywany przez prostownik.Prostownik jest kluczową częścią zasilacza i występuje w różnych konfiguracjach. Półprzewodnikowa rektyfikacja Używa pojedynczej diody do konwersji tylko połowy cyklu prądu przemiennego na DC, dzięki czemu jest mniej wydajna i wytwarzając więcej wahań wyjściowych, które są trudniejsze do wygładzania. Proportowanie pełnej fali jest bardziej wydajny i wykorzystuje obie połówki cyklu prądu przemiennego.Można to zrobić za pomocą transformatora w centrum i dwóch diod lub z konfiguracją prostownika mostu, który wykorzystuje cztery diody.Prostownik mostka jest częściej stosowany w nowoczesnych projektach, ponieważ jest bardziej wydajny.Nowoczesne prostowniki zwykle używają Diody półprzewodnikowe Jak diody skrzyżowania PN lub diody Schottky.Diody Schottky są często wybierane, ponieważ tracą mniej napięcia, gdy przechodzi przez nich prąd, co czyni je bardziej wydajnymi, chociaż mogą pozwolić na wyciek niektórych prądu i mieć niższy próg napięcia, zanim się rozbiją.

Wygładzanie kondensatora

Po przekształceniu prostawki AC na DC wyjście nie jest idealnie gładkie i zawiera fluktuacje napięcia, które nie są pożądane dla większości obwodów elektronicznych.Kondensator wygładzający pomaga nawet te wahania ładując podczas wysokich punktów skorygowanego przebiegu i uwalniając ładunek, gdy przebieg spadnie.To pomaga Zachowaj napięcie DC bardziej stabilne.Chociaż kondensator znacznie zmniejsza fluktuacje, nie usuwa ich całkowicie.Zdolność kondensatora do zmniejszenia tych wahań zależy od jego wielkości i ilości prądu wymaganego obciążenia.

Regulator napięcia

Regulator napięcia jest głównym składnikiem liniowego zasilania, zapewniając, że napięcie wyjściowe pozostaje stabilne, nawet jeśli napięcie wejściowe lub obciążenie.Istnieją dwa główne rodzaje liniowych regulatorów: Regulator bocznikowy i regulator serii.

Regulator bocznikowy jest mniej powszechny i ​​działa poprzez umieszczenie zmiennego komponentu na obciążeniu, który pochłania dodatkowy prąd, aby utrzymać napięcie wyjściowe.Ten typ regulatora jest używany, gdy potrzebna jest precyzyjna kontrola napięcia, nawet jeśli może nie być bardzo wydajna.Ze względu na niższą wydajność jest zwykle stosowana tylko w określonych sytuacjach.

Seria regulator jest najczęściej stosowanym typem regulatora liniowego.W tej konfiguracji zmienna rezystancja jest umieszczana szeregowo z obciążeniem, a obwód sterujący dostosowuje rezystancję w celu utrzymania pożądanego napięcia wyjściowego.Prostota i skuteczność regulatora serii sprawiają, że jest popularnym wyborem dla wielu liniowych projektów zasilania.Zapewnia dobrą kontrolę nad napięciem o stosunkowo prostej konstrukcji, dzięki czemu nadaje się do szerokiego zakresu zastosowań.

Zalety i wady zasilaczy liniowych

Zalety

Zasilacze liniowe mają kilka zalet, szczególnie w sytuacjach, w których konieczna jest stabilność i ciche działanie.Jedną z głównych korzyści jest to, że tworzą Bardzo mało hałasu.W przeciwieństwie do przełączania zasilaczy, które szybko włączają i wyłączają prąd, zasilacze liniowe utrzymują prąd ciągle.Ten brak szybkiego przełączania oznacza, że ​​nie tworzą zbyt wiele zakłóceń elektromagnetycznych, co czyni je dobrym wyborem dla delikatnych urządzeń elektronicznych, takich jak systemy audio, sprzęt medyczny i instrumenty, które wymagają precyzyjnych pomiarów.

Kolejną korzyścią jest ich niezawodna wydajność.Liniowe zasilacze istnieją od dłuższego czasu, a ich technologia jest znana i niezawodna.Ponieważ były używane od tylu lat, ich wydajność jest konsekwentna i dobrze zrozumiana.Inżynierowie i projektanci mogą liczyć na konsekwentne działanie, co jest bardzo pomocne w sytuacjach, w których niezawodność jest koniecznością.

Wady

Jednak zasilacze liniowe mają pewne wady, głównie jeśli chodzi o to, jak dobrze wykorzystują energię i ich rozmiar.Jedną z największych wad jest ich niska wydajność.Zapasy te zwykle skutecznie wykorzystują około 50% energii wejściowej, a druga połowa zmarnowana, zwykle jako ciepło.Ta niska wydajność zdarza się, ponieważ zasilanie kontroluje napięcie, pozbywając się dodatkowej energii, która marnuje dużo energii.

Ta zmarnowana energia prowadzi do innego problemu: wytwarzanie ciepła .Energia, która nie jest używana, tworzy ciepło, które należy zarządzać, aby powstrzymać uszkodzenie zasilania i podłączonych urządzeń.Często oznacza to dodawanie dodatkowych części, takich jak ciepła lub wentylatory chłodzące, co może sprawić, że projekt może być bardziej skomplikowany i zwiększyć koszty.

Wreszcie, zasilacze liniowe są Większy i cięższy niż przełączanie zasilaczy.Potrzebują dużych transformatorów, aby zmniejszyć napięcie i dodatkowe części do zarządzania ciepłem, dzięki czemu te zasilacze są obfite.Może to być duża wada w sytuacjach, w których ważna jest przestrzeń i waga, na przykład na urządzeniach przenośnych lub kompaktowych.

Zastosowania liniowych zasilaczy

Rysunek 3: Zastosowania liniowych zasilaczy

Zasilanie liniowe, choć nie tak energooszczędne jak ich odpowiedniki przełączające, są często wybierane w określonych sytuacjach, w których konieczna jest stała i bez hałasu energii.Te zasilacze są szczególnie przydatne w środowiskach, w których potrzebna jest stabilna i czysta energia bez zakłóceń, które mogą pochodzić z zasilaczami przełączania.

W sprzęcie audiowizualnym zasilacze liniowe są bardzo przydatne dla wysokiej jakości wzmacniaczy audio i wrażliwych urządzeń audio.Zapewniają gładką i stałą moc napięcia, która jest ważna dla utrzymywania nienaruszonej jakości dźwięku.Zasilacze przełączające mogą czasem wprowadzać szum i skoki, które mogą zakłócać sygnały audio, co prowadzi do zniekształceń dźwięku lub niechcianej zakłóceń.Z tego powodu liniowe zasilacze są preferowane w wysokiej klasy systemach audio, gdzie ważne jest, aby jakość dźwięku była czystą i czystą.

W sprzęcie laboratoryjnym posiadanie konsekwentnej i dokładnej mocy jest bardzo ważne.Urządzenia takie jak laboratoryjne zasilacze, które są używane do zapewnienia stałych i precyzyjnych wyników napięcia, często opierają się na regulacji liniowej.Stabilność oferowana przez liniowe zasilacze zapewnia, że ​​napięcie pozostaje spójne, co jest bardzo ważne w środowiskach eksperymentalnych i testujących, w których nawet niewielkie zmiany mogą prowadzić do niepoprawnych wyników.Te zasilacze są zaprojektowane do dostarczania czystej, bez hałasu energii, która jest potrzebna do wrażliwych pomiarów i eksperymentów wymagających wysokiego poziomu dokładności.

Liniowe zasilacze są zaprojektowane tak, aby zapewnić spójne napięcie z minimalnym szumem, co czyni je idealnymi w sytuacjach, w których jakość zasilania wpływa bezpośrednio na to, jak dobrze działa urządzenie.Chociaż mogą nie być tak energooszczędne jak zasilacze przełączające, ich zdolność do zapewnienia stabilnej i czystej energii sprawia, że ​​są one szczególnie przydatne w określonych, wrażliwych na szumach aplikacjach.Ich użycie w sprzęcie audiowizualnym i laboratoryjnym pokazuje, w jaki sposób jakość mocy odgrywa kluczową rolę w utrzymywaniu wydajności i dokładności w tych ustawieniach.

Porównanie z innymi typami zasilacz

Zasilanie liniowe są używane do zmiany energii elektrycznej z jednej formy na drugą, zwykle przekształcając prąd przemienny (AC) w prąd stały (DC).Istnieje kilka rodzajów zasilaczy, każdy z własnymi cechami:

Rysunek 4: Nieregulowane zasilacze liniowe

Niekowiste zasilacze liniowe są najbardziej podstawowym typem.Konwertują AC na DC, ale nie mają żadnych dodatkowych funkcji, aby utrzymać napięcie stabilne.Oznacza to, że napięcie wyjściowe może się zmienić, jeśli zmienia się napięcie wejściowe lub jeśli zmienia się ilość mocy (obciążenie).Jeśli napięcie wejściowe wzrośnie, napięcie wyjściowe również wzrośnie, a jeśli obciążenie wzrośnie, napięcie wyjściowe może spaść.Z tego powodu te zasilacze nie są idealne dla urządzeń, które wymagają stabilnego napięcia, aby działać prawidłowo.

Rysunek 5: Zasilacz feroresonantowy

Zasilacze ferroresonowe wykorzystują specjalną technikę obejmującą pola magnetyczne, aby utrzymać napięcie wyjściowe stabilne.Robią to z kombinacją transformatora i obwodu rezonansowego.Właściwości magnetyczne transformatora pomagają utrzymać stałe napięcie wyjściowe, nawet jeśli zmienia się napięcie wejściowe lub obciążenie.Te zasilacze mają również wbudowaną ochronę przed nagłymi skokami energii, co czyni je niezawodnymi w miejscach, w których zasilacz nie jest stabilny.Jednak zwykle są one duże i ciężkie, co może być wadą w sytuacjach, w których rozmiar i waga mają znaczenie.

Rysunek 6: Zasilacz trybu przełącznika (SMP)

Zasilanie trybu przełącznika (SMP) są zaprojektowane tak, aby były bardziej wydajne niż zasilacze liniowe.Pracują, szybko włączając i wyłączając zasilanie wejściowe za pomocą przełączników elektronicznych, takich jak tranzystory.Ta metoda pozwala im wydajniej przekształcać moc, co oznacza, że ​​wytwarzają mniej ciepła i mogą być mniejsze i lżejsze.Jednak z powodu szybkiego przełączania SMP może tworzyć szum elektryczny, który może zakłócać inne urządzenia elektroniczne w pobliżu.SMP są również bardziej skomplikowane w projektowaniu i mogą być trudniejsze do naprawienia, jeśli coś pójdzie nie tak.

Wniosek

Liniowe zasilacze są nadal wyborem w sytuacjach, w których bardzo potrzebny jest stały i wolny od hałasu zasilacz.Ich prosta konstrukcja i niezawodna wydajność sprawiają, że są ulubionymi w obszarach takich jak sprzęt audio i testy laboratoryjne.Mają jednak kompromisy pod względem efektywności energetycznej i wielkości, dlatego ważne jest, aby pomyśleć o tym, do czego ich używasz.Porównujemy zasilacze liniowe z innymi typami, staje się jasne, że chociaż nie zawsze mogą być najbardziej oszczędzającą energią opcję, ich zdolność do dostarczania czystej i spójnej mocy oznacza, że ​​są one przydatne w dzisiejszym świecie technologii.Rozumiejąc te różnice, możesz podejmować lepsze decyzje przy wyborze odpowiedniego zasilania dla swoich konkretnych potrzeb.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Gdzie używane są zasilacze liniowe?

Liniowe zasilacze są powszechnie stosowane w środowiskach, w których stabilna i nisko szumych jest bardzo potrzebna.Obejmuje to wysokiej jakości sprzęt audio, urządzenia medyczne, instrumenty laboratoryjne i precyzyjne narzędzia pomiarowe, w których nawet mały szum elektryczny może zakłócać działanie lub dokładność sprzętu.

2. Jaka jest wydajność liniowego zasilania?

Wydajność zasilacza liniowego jest na ogół niska, często około 50% lub mniej.Wynika to z faktu, że zasilacz reguluje napięcie poprzez rozpraszanie nadmiaru energii jako ciepła, co powoduje znaczną utratę energii.

3. Jakie są zalety i wady zasilania liniowego?

Główną zaletą liniowego zasilacza jest jego zdolność do zapewnienia czystej, stabilnej i niskiej mocy, która jest idealna do wrażliwej elektroniki.Wady obejmują niską wydajność, duży rozmiar ze względu na potrzebę rozpraszania ciepła oraz dodatkową energię zmarnowaną jako ciepło.

4. Jakie są wady liniowego regulatora napięcia?

Wady liniowego regulatora napięcia obejmują niską wydajność, ponieważ marnuje dużą moc jako ciepło, a jego niezdolność do zwiększenia napięcia, co oznacza, że ​​może on jedynie zmniejszyć napięcie z poziomu wejściowego.Ponadto mogą wymagać dużych radiatorów lub systemów chłodzenia do zarządzania wytwarzanym ciepłem, czyniąc je nieporęczne.

5. Jaki jest najbardziej wydajny rodzaj zasilania?

Najbardziej wydajnym rodzajem zasilania jest zasilacz trybu przełącznika (SMP).Wykorzystuje przełączanie o wysokiej częstotliwości do konwersji energii przy minimalnej utraty energii, co powoduje znacznie wyższą wydajność w porównaniu z zasilaczami liniowymi.