Источник постоянного электрического тока

Если создать в проводнике электрическое поле, например, поместив на одном из его концов избыток положительных ионов, то свободные электроны в проводнике придут в движение. Заряд электронов отрицательный, и, следовательно, они начнут перемещаться к созданному положительному заряду. Это приведет к тому, что положительный заряд избыточных ионов будет нейтрализован сместившимися отрицательными электронами. Поле в проводнике исчезнет, ток прекратится.

Для того, чтобы ток в проводнике продолжал существовать, необходим специальный элемент, который бы непрерывно поддерживал заряд на концах электрической цепи. Такой элемент должен непрерывно совершать работу по восполнению недостатка зарядов на одном конце цепи, и удалению избытка зарядов на другом. Все эти действия совершаются источником постоянного электрического тока.

Коэффициент полезного действия

Мощность, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной

При условии R=r мощность, выделяемая во внешней цепи, максимальная для данного источника и равна

Полная мощность — сумма полезной и теряемой мощности

Коэффициент полезного действия источника тока — отношение полезной мощности к полной

Источники питания AC/AC

Источники питания AC/AC могут быть как нестабилизирующими, так и стабилизирующими. Первые обычно либо изменяют уровень напряжения (пример-автотрансформатор 220/110 В), либо осуществляют гальваническую развязку от питающей сети для повышения безопасности (пример-развязывающий трансформатор 220/220 В), либо выполняют обе функции сразу (пример-понижающий и развязывающий трансформатор 220/36 В или 220/12 В). Частота выходного напряжения может как совпадать с частотой питающего напряжения(аналогично предыдущим примерах), так и отличаться от неё, например, при частоте сети 50 Гц частота выходного напряжения может быть 400 Гц или наоборот. Может также отличаться и число фаз на входе и выходе. Особый класс источников питания AC/AC составляют источники бесперебойного питания, которые содержат промежуточное звено постоянного тока с резервной аккумуляторной батареей, обеспечивающей питание нагрузки в течение определенного времени при пропадании напряжения сети. Стабилизирующие источники питания AC/AC ( стабилизаторы напряжения) обеспечивают стабильное (в определенных пределах) напряжение на выходе при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки. Существует несколько типов таких стабилизаторов, различающихся принципом действия. Наиболее распространенные-электромеханические и релейные с переключением обмоток автотрансформатора или трансформатора с помощью электромагнитных реле или полупроводниковых (твердотельных) реле, или симисторов (симметричных тиристоров или триаков). Стабилизаторы напряжения переменного тока могут быть как с гальванической развязкой, так и без гальванической развязки. Чаще используются без гальванической развязки.

Источники питания AC/DC

Это самый широкий и наиболее востребованный класс источников. Источники питания AC/DC также могут быть как нестабилизирующими, так и стабилизирующими, с гальванической развязкой и без неё. Наиболее часто используются и сточники питания AC/DC с гальванической развязкой от питающей сети, так как они обеспечивают наибольшую электробезопасность потребителей электроэнергии.

Н естабилизирующи е источники питания AC/DC обычно содержат трансформатор, работающий на частоте сети, выпрямитель и сглаживающий фильтр. Трансформатор изменяет величину напряжения в соответствии с коэффициентом трансформации (если нужно) и осуществляет гальваническую развязку. Выпрямитель выпрямляет (преобразует из переменного в постоянное) напряжение вторичной обмотки трансформатора. Сглаживающий фильтр фильтрует выпрямленное напряжение, снижая величину пульсации. Сравнительно редко встречаются н естабилизирующи е источники питания AC/DC с преобразователями напряжения, в которых выпрямитель выпрямляет сетевое напряжение, которое затем преобразуется в напряжение повышенной частоты 20-200 кГц, которое подается на трансформатор, а затем снова выпрямляется. Преимущество здесь – трансформатор, работающий на повышенной частоте, благодаря чему снижаются его габариты, вес и стоимость, а также габариты и вес источника питания в целом. Недостаток – более сложная схема с большим количеством элементов, что снижает надёжность и повышает стоимость.

Стабилизирующие источники питания AC/DC могут быть выполнены как с линейными стабилизаторами напряжения (с непрерывным регулированием, или аналоговыми), так и с импульсными. Первые из них обладают очень хорошими характеристиками, самым низким уровнем пульсаций, шумов и помех. Недостатком их является низкий КПД, который обычно не превышает 50% и наличие громоздкого сетевого трансформатора. Применение импульсного стабилизатора вместо линейного (во вторичной цепи после выпрямителя) решает проблему низкого КПД (повышая его до 80-90%), но остается громоздкий сетевой трансформатор и появляется другой недостаток – резко повышается уровень шумов и помех. Но во многих применениях это не критично. И в этих случаях очень широко применяются импульсные источники питания с бестрансформаторным входом. Подавляющее большинство серийно выпускаемых источников питания – именно такие источники. Эти источники питания не содержат низкочастотного трансформатора, работающего на частоте сети (50 или 60 Гц). Напряжение питающей сети сразу выпрямляется выпрямителем и фильтруется сглаживающим фильтром, а затем подается на преобразователь напряжения (инвертор), который снова преобразует его в переменное, но повышенной частоты (50-300 кГц) и прямоугольной формы. Это позволяет з0начительно уменьшить габариты и вес трансформатора и снизить его стоимость за счет уменьшения стоимости сердечника, меди и снижения трудоёмкости изготовления. Одновременно преобразователь напряжения осуществляет функцию стабилизации напряжения или тока за счет изменения длительности (широтно-импульсная модуляция, ШИМ) или частоты (частотно-импульсная модуляция, ЧИМ) импульсов, или одновременно того и другого (ЧИМ-ШИМ). Недостатком таких источников питания, кроме выше перечисленных, является низкий коэффициент мощности (примерно 0,6). Для его устранения во многих импульсных источниках питания устанавливается корректор коэффициента мощности, который позволяет его повысить до 0,95-0,99. В импульсных источниках питания обратная связь в большинстве случаев осуществляется с выхода и подается на преобразователь напряжения через оптическое или трансформаторное устройство гальванической развязки, что позволяет получить высокую стабильность выходного напряжения или тока. При низких значениях выходного напряжения и больших токах нагрузки в некоторых источниках питания дополнительно используется обратная связь непосредственно с питаемой нагрузки.

Источники питания DC/DC

Источники питания DC/DC могут быть как нестабилизирующими, так и стабилизирующими, с гальванической развязкой и без гальванической развязки. Источники питания DC/DC применяются в тех случаях, когда первичным источником питания является источник постоянного тока, а питать оборудование непосредственно от него невозможно – требуется другое напряжение, или другая полярность, или другая стабильность, или гальваническая развязка. Во всех этих DC/DC источниках питания в основном используются импульсные преобразователи напряжения различных конфигураций. В тех случаях, когда гальваническая развязка не нужна и не очень большая разница напряжений между входом и выходом, применяются линейные стабилизаторы напряжения, в основном интегральные.

Источники питания DC/AC

Источники питания DC/AC (инверторы) применяются в тех случаях, когда имеется первичный источник питания постоянного тока, а для питания нагрузки необходимо напряжение переменного тока. Такая ситуация может встречаться, например, при необходимости питания нагрузки переменного тока от бортсети подвижных объектов (автомобилей, кораблей, самолётов и т.д.), от станционного источника питания постоянного тока аппаратуры телекоммуникаций, в автономных системах электропитания от солнечных батарей, ветрогенераторов и т.п., в источниках бесперебойного питания (ИБП) с промежуточным звеном постоянного тока в виде резервной аккумуляторной батареи.

Инверторы (в том числе и входящие в состав ИБП) выпускаются двух видов в зависимости от формы выходного напряжения:

С модифицированной синусоидой – выходное напряжение представляет собой двухполярные прямоугольные импульсы с паузой между ними, максимально приближенные по гармоническому составу к синусоиде, следующие с заданной частотой (наиболее часто 50 или 60 Гц).

С чистой синусоидой – выходное напряжение синусоидально с незначительными искажениями.

Достоинством первых является более простая схема и низкая стоимость, недостатком – несинусоидальная форма кривой выходного напряжения, из-за чего не все потребители могут работать с таким инвертором.

Достоинством вторых является чистая синусоидальная форма кривой выходного напряжения, благодаря чему с этими инверторами могут работать любые потребители электрической энергии. Недостатком – более высокая цена, габариты и вес.