Jedinica napajanja

Jedinica napajanja je najčešće elektronski uređaj koji obezbeđuje električnu energiju odgovarajućih karakteristika električnom potrošaču. Svi električni uređaji koji sadrže poluprovodničku elektroniku zahtevaju jednosmerni napon dok je u kućnim priključcima napon naizmeničan 220 V. Zato postoji spoljašnja ili unutrašnja jedinica za napajanje koja obezbeđuje ispravljanje napona, naponsko prilagođenje a kao dodatnu karakteristiku obično ima i stabilizaciju odnosno filtriranje napona.

Jedinice napajanja za elektronske uređaje zasnivaju se na tehnologiji nazvanoj prekidački mod (engl. switching mode). Ona je takođe poznata kao „DC / DC“ konvertor. Postoje dve osnovne vrste napojnih jedinca: linearna i prekidača.

Na slici 1. je prikazan blok dijagram napojne jedinice bez kola povratne sprege, koje se koristi na jeftinijim napojnim jedinicama. Na slici 2 je i kolo povratne sprege, koje se koristi u skupljim napojnim jedinicama. Može se primeti razlika u napajanjima sa i bez kola povratne sprege. U kolima sa povratnom spregom nemaju 110/220 V i nemaju udvostručivač napona.

Šematski prikaz tipičnog računarskog napajanja

Slika 2

Kolo povratne sprege ne vrši naponsku regulaciju. Ulazni napon se ispravi pre nego što se dovede do prekidačkih tranzistora. Prekidački tranzistori šalju kvadratni signal na transformator. Budući da je talas kvadratni veoma jednostavno se transformiše u jednosmerni napon. Posle ispravljanja napona na izlazu transformatora dobijemo jednosmerni napon. Zato se ponekad prekidački napajanja zovu DC / DC konvertori. Ako izlazni napon nije u redu kolo povratne sprege da radni nalog tranzistoru da bi se ispravio izlazni napon. Najčešće se dešava kada raste potrošnja energije na računaru, tada izlazni napon pada, ili kada opada potrošnja energije na računaru tada raste izlazni napon.

Iz slika 1, 2, 3 možemo da vidimo sledeće: Sve ispred transfornatora je primar, a sve iza transformatora je sekundar, izvori napajanja sa kolom povratne sprege nemaju 110/220 V prekidač, i takođe nemaju udvostručivač napona koji ima svrhu da uvek bude napon od 220 V na samom Grecovom spoju, dva MOSFET-a čine prekidač, talas koji dolazi na transformator je pravougaonog oblika, i na sekundaru je kvadratni signal, kolo povratne sprege je obično integrisano kolo koje je preko malog transformatora izolovano od primarnog dela napajanja, ponekad se umesto transformatora koristi optokapleri, kolo povratne sprege kontroliše izlazni napon tako što kontroliše prekidačke tranzistore.

Unutrašnji izgled

Obično napajanje računara ima 3 transformatora između dva velika hladnjaka. Najveći transformator je glavni, srednji transformator služi da generiše napon od 5 V. najmanji transformator služi da izoluje primar od sekundara (Galvanska zaštita). Jedan hladnjak pripada primaru, a drugi sekundaru. Na hladnjaku koji pripada primaru se nalaze prekidači tranzistori ili diode ako napajanje ima kolo povratne sprege. Na hladnjaku koji pripada sekundaru nalaze se nekoliko ispravljača-dijaci. U sekundaru se može naći i nekoliko malih elektrolitskih kondenzatora i nekoliko malih prigušnica. Imaju ulogu filtera.

Tipovi

Napajanje u komutiranom režimu

U komutiranom napajanju (engl. switched-mode power supply, SMPS), mrežni ulaz naizmenične struje se direktno ispravlja, a zatim filtrira da bi se dobio jednosmerni napon. Rezultujući jednosmerni napon se zatim uključuje i isključuje na visokoj frekvenciji pomoću elektronskog sklopnog kola, čime se proizvodi naizmenična struja koja će proći kroz visokofrekventni transformator ili induktor. Prebacivanje se dešava na veoma visokoj frekvenciji (obično 10 kHz — 1 MHz), čime se omogućava korišćenje transformatora i filterskih kondenzatora koji su mnogo manji, lakši i jeftiniji od onih koji se nalaze u linearnim izvorima napajanja koji rade na mrežnoj frekvenciji. Nakon sekundarnog induktora ili transformatora, visokofrekventna naizmenična struja se ispravlja i filtrira da bi se proizveo DC izlazni napon. Ako SMPS koristi adekvatno izolovani visokofrekventni transformator, izlaz će biti električno izolovan od mreže; ova karakteristika je često neophodna za bezbednost.

Napajanja u komutiranom režimu su obično regulisana, a da bi izlazni napon bio konstantan, napajanje koristi kontroler povratne sprege koji prati struju koju troši opterećenje. Radni ciklus prebacivanja se povećava kako se povećavaju zahtevi za izlaznom snagom.

SMPS često obuhvataju bezbednosne funkcije kao što su ograničavanje struje ili kolo za polugu kako bi se zaštitio uređaj i korisnik od povrede.^[1] U slučaju da se detektuje neuobičajena potrošnja struje velike struje, napajanje u komutiranom režimu može pretpostaviti da je ovo direktan kratki spoj i da će se sam isključiti pre nego što se ošteti. PC napajanja često obezbeđuju dobar signal za napajanje matičnoj ploči; odsustvo ovog signala sprečava rad kada su prisutni nenormalni naponi napajanja.

Neki SMPS imaju apsolutno ograničenje za njihov minimalni izlaz struje.^[2] Oni mogu da imaju izlaz samo iznad određenog nivoa snage i ne mogu da funkcionišu ispod te tačke. U stanju bez opterećenja, frekvencija strujnog kola za rezanje se povećava do velike brzine, uzrokujući da izolovani transformator deluje kao Teslin kalem, uzrokujući štetu zbog rezultujućih skokova snage veoma visokog napona. Napajanja u komutiranom režimu sa zaštitnim krugovima mogu se nakratko uključiti, ali se zatim isključiti kada nije detektovano opterećenje. Veoma mali lažni teret male snage, kao što je keramički otpornik za napajanje ili sijalica od 10 vati, može se priključiti na napajanje kako bi se omogućilo da radi bez priključenog primarnog opterećenja.

Vidi još

Prekidački izvor napajanja

Reference

^ Quoting US patent #4937722, High efficiency direct coupled switched mode power supply: The power supply can also include crowbar circuit protecting it against damage by clamping the output to ground if it exceeds a particular voltage. „High efficiency direct coupled switched mode power supply - US Patent 4937722 Description”. Arhivirano iz originala 2013-04-21. g. Pristupljeno 2008-05-08.
^ Quoting US Patent #5402059: A problem can occur when loads on the output of a switching power supply become disconnected from the supply. When this occurs, the output current from the power supply becomes reduced (or eliminated if all loads become disconnected). If the output current becomes small enough, the output voltage of the power supply can reach the peak value of the secondary voltage of the transformer of the power supply. This occurs because with a very small output current, the inductor in the L-C low-pass filter does not drop much voltage (if any at all). The capacitor in the L-C low-pass filter therefore charges up to the peak voltage of the secondary of the transformer. This peak voltage is generally considerably higher than the average voltage of the secondary of the transformer. The higher voltage which occurs across the capacitor, and therefore also at the output of the power supply, can damage components within the power supply. The higher voltage can also damage any remaining electrical loads connected to the power supply. „Switching power supply operating at little or no load - US Patent 5402059 Description”. Arhivirano iz originala 2012-09-07. g. Pristupljeno 2008-05-08.

Literatura

US 1037492, Kettering, Charles F., "Ignition system", published 2 November 1910, issued 3 September 1912
US 1754265, Coursey, Philip Ray, "Electrical Condenser", published 23 June 1926, issued 15 April 1930
„When was the SMPS power supply invented?”. electronicspoint.com.
„Electrical condensers (Open Library)”. openlibrary.org.
„First-Hand:The Story of the Automobile Voltage Regulator - Engineering and Technology History Wiki”. ethw.org. Pristupljeno 21. 3. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
US 2014869, Teare Jr., Benjamin R. & Whiting, Max A., "Electroresponsive Device", published 15 November 1932, issued 17 September 1935
„1960: Metal Oxide Semiconductor (MOS) Transistor Demonstrated”. The Silicon Engine. Computer History Museum. Pristupljeno 31. 8. 2019. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
„Applying MOSFETs to Today's Power-Switching Designs”. Electronic Design. 23. 5. 2016. Pristupljeno 10. 8. 2019. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
„google.com/patents - Transistor converter power supply system”. google.com. Pristupljeno 21. 3. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
Ken Shirriff (januar 2019). „Inside the Apollo Guidance Computer's core memory”. righto.com. Pristupljeno 4. 7. 2019. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
µA723 Precision Voltage Regulators, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ua723.pdf data sheet August 1972 revised July 1999
„slack.com - Test Equipment and Electronics Information”. slack.com. Arhivirano iz originala 2. 8. 2002. g. Pristupljeno 21. 3. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
„7000 Plugin list”. www.kahrs.us. Pristupljeno 21. 3. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
tek.com - 7000 Series oscilloscopes FAQ
docmesure.free.fr - TEKSCOPE March 1971 Arhivirano na sajtu Wayback Machine (1. mart 2020) 7704 High-Efficiency Power Supply (service manual march-1971 .pdf)
Power Supply Manufacturers' Association: Genealogy
Computer Products has a new name: Artesyn
Computer Products Buys Rival Manufacturer
„jacques-laporte.org - The HP-35's Power unit and other vintage HP calculators.”. citycable.ch. Arhivirano iz originala 16. 08. 2021. g. Pristupljeno 21. 3. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
„Y Combinator's Xerox Alto: restoring the legendary 1970s GUI computer”. arstechnica.com. 26. 6. 2016. Pristupljeno 21. 3. 2018. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
Smithsonian Chips: North American Company Profiles p.1-192
businessinsider.com - EXCLUSIVE: Interview With Apple's First CEO Michael Scott 2011-05-24
„HP 3048A”. hpmemoryproject.org.
Pressman, Abraham I. (1998), Switching Power Supply Design (2nd izd.), McGraw-Hill, ISBN 0-07-052236-7
Basso, Christophe (2008), Switch-Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs, McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-150858-2
Basso, Christophe (2012), Designing Control Loops for Linear and Switching Power Supplies: A Tutorial Guide, Artech House, ISBN 978-1608075577
Brown, Marty (2001), Power Supply Cookbook (2nd izd.), Newnes, ISBN 0-7506-7329-X
Erickson, Robert W.; Maksimović, Dragan (2001), Fundamentals of Power Electronics (Second izd.), ISBN 0-7923-7270-0
Liu, Mingliang (2006), Demystifying Switched-Capacitor Circuits, Elsevier, ISBN 0-7506-7907-7
Luo, Fang Lin; Ye, Hong (2004), Advanced DC/DC Converters, CRC Press, ISBN 0-8493-1956-0
Luo, Fang Lin; Ye, Hong; Rashid, Muhammad H. (2005), Power Digital Power Electronics and Applications, Elsevier, ISBN 0-12-088757-6
Maniktala, Sanjaya (2004), Switching Power Supply Design and Optimization, McGraw-Hill, ISBN 0-07-143483-6
Maniktala, Sanjaya (2006), Switching Power Supplies A to Z, Newnes/Elsevier, ISBN 0-7506-7970-0
Maniktala, Sanjaya (2007), Troubleshooting Switching Power Converters: A Hands-on Guide, Newnes/Elsevier, ISBN 978-0-7506-8421-7
Mohan, Ned; Undeland, Tore M.; Robbins, William P. (2002), Power Electronics : Converters, Applications, and Design, Wiley, ISBN 0-471-22693-9
Nelson, Carl (1986), LT1070 design Manual, AN19, Linear Technology Application Note giving an extensive introduction in Buck, Boost, CUK, Inverter applications. (download as PDF from http://www.linear.com/designtools/app_notes.php)
Pressman, Abraham I.; Billings, Keith; Morey, Taylor (2009), Switching Power Supply Design (Third izd.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-148272-1
Rashid, Muhammad H. (2003), Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications, Prentice Hall, ISBN 0-13-122815-3

Spoljašnje veze

Understanding Linear Power Supply Operation
Load Power Sources for Peak Efficiency, James Colotti, EDN 1979 October 5
Uvod u izvore napajanja Arhivirano na sajtu Wayback Machine (2. avgust 2020)
Izvori napajanja
ECE 327: Procedures for Voltage Regulators Lab — Gives schematics, explanations, and analyses for Zener shunt regulator, series regulator, feedback series regulator, feedback series regulator with current limiting, and feedback series regulator with current foldback. Also discusses the proper use of the LM317 integrated circuit bandgap voltage reference and bypass capacitors.
ECE 327: Report Strategies for Voltage Regulators Lab — Gives more-detailed quantitative analysis of behavior of several shunt and series regulators in and out of normal operating ranges.
ECE 327: LM317 Bandgap Voltage Reference Example — Brief explanation of the temperature-independent bandgap reference circuit within the LM317.
"Zener regulator" at Hyperphysics

[1] Quoting US patent #4937722, High efficiency direct coupled switched mode power supply: The power supply can also include crowbar circuit protecting it against damage by clamping the output to ground if it exceeds a particular voltage. „High efficiency direct coupled switched mode power supply - US Patent 4937722 Description”. Arhivirano iz originala 2013-04-21. g. Pristupljeno 2008-05-08.

[2] Quoting US Patent #5402059: A problem can occur when loads on the output of a switching power supply become disconnected from the supply. When this occurs, the output current from the power supply becomes reduced (or eliminated if all loads become disconnected). If the output current becomes small enough, the output voltage of the power supply can reach the peak value of the secondary voltage of the transformer of the power supply. This occurs because with a very small output current, the inductor in the L-C low-pass filter does not drop much voltage (if any at all). The capacitor in the L-C low-pass filter therefore charges up to the peak voltage of the secondary of the transformer. This peak voltage is generally considerably higher than the average voltage of the secondary of the transformer. The higher voltage which occurs across the capacitor, and therefore also at the output of the power supply, can damage components within the power supply. The higher voltage can also damage any remaining electrical loads connected to the power supply. „Switching power supply operating at little or no load - US Patent 5402059 Description”. Arhivirano iz originala 2012-09-07. g. Pristupljeno 2008-05-08.

[1]

[2]