Јединица напајања

Јединица напајања је најчешће електронски уређај који обезбеђује електричну енергију одговарајућих карактеристика електричном потрошачу. Сви електрични уређаји који садрже полупроводничку електронику захтевају једносмерни напон док је у кућним прикључцима напон наизменичан 220 V. Зато постоји спољашња или унутрашња јединица за напајање која обезбеђује исправљање напона, напонско прилагођење а као додатну карактеристику обично има и стабилизацију односно филтрирање напона.

Јединице напајања за електронске уређаје заснивају се на технологији названој прекидачки мод (енгл. switching mode). Она је такође позната као „DC / DC“ конвертор. Постоје две основне врсте напојних јединца: линеарна и прекидача.

На слици 1. је приказан блок дијаграм напојне јединице без кола повратне спреге, које се користи на јефтинијим напојним јединицама. На слици 2 је и коло повратне спреге, које се користи у скупљим напојним јединицама. Може се примети разлика у напајањима са и без кола повратне спреге. У колима са повратном спрегом немају 110/220 V и немају удвостручивач напона.

Шематски приказ типичног рачунарског напајања

Слика 2

Коло повратне спреге не врши напонску регулацију. Улазни напон се исправи пре него што се доведе до прекидачких транзистора. Прекидачки транзистори шаљу квадратни сигнал на трансформатор. Будући да је талас квадратни веома једноставно се трансформише у једносмерни напон. После исправљања напона на излазу трансформатора добијемо једносмерни напон. Зато се понекад прекидачки напајања зову DC / DC конвертори. Ако излазни напон није у реду коло повратне спреге да радни налог транзистору да би се исправио излазни напон. Најчешће се дешава када расте потрошња енергије на рачунару, тада излазни напон пада, или када опада потрошња енергије на рачунару тада расте излазни напон.

Из слика 1, 2, 3 можемо да видимо следеће: Све испред трансфорнатора је примар, а све иза трансформатора је секундар, извори напајања са колом повратне спреге немају 110/220 V прекидач, и такође немају удвостручивач напона који има сврху да увек буде напон од 220 V на самом Грецовом споју, два МОСФЕТ-а чине прекидач, талас који долази на трансформатор је правоугаоног облика, и на секундару је квадратни сигнал, коло повратне спреге је обично интегрисано коло које је преко малог трансформатора изоловано од примарног дела напајања, понекад се уместо трансформатора користи оптокаплери, коло повратне спреге контролише излазни напон тако што контролише прекидачке транзисторе.

Унутрашњи изглед

Обично напајање рачунара има 3 трансформатора између два велика хладњака. Највећи трансформатор је главни, средњи трансформатор служи да генерише напон од 5 V. најмањи трансформатор служи да изолује примар од секундара (Галванска заштита). Један хладњак припада примару, а други секундару. На хладњаку који припада примару се налазе прекидачи транзистори или диоде ако напајање има коло повратне спреге. На хладњаку који припада секундару налазе се неколико исправљача-дијаци. У секундару се може наћи и неколико малих електролитских кондензатора и неколико малих пригушница. Имају улогу филтера.

Типови

Напајање у комутираном режиму

У комутираном напајању (енгл. switched-mode power supply, SMPS), мрежни улаз наизменичне струје се директно исправља, а затим филтрира да би се добио једносмерни напон. Резултујући једносмерни напон се затим укључује и искључује на високој фреквенцији помоћу електронског склопног кола, чиме се производи наизменична струја која ће проћи кроз високофреквентни трансформатор или индуктор. Пребацивање се дешава на веома високој фреквенцији (обично 10 kHz — 1 MHz), чиме се омогућава коришћење трансформатора и филтерских кондензатора који су много мањи, лакши и јефтинији од оних који се налазе у линеарним изворима напајања који раде на мрежној фреквенцији. Након секундарног индуктора или трансформатора, високофреквентна наизменична струја се исправља и филтрира да би се произвео DC излазни напон. Ако SMPS користи адекватно изоловани високофреквентни трансформатор, излаз ће бити електрично изолован од мреже; ова карактеристика је често неопходна за безбедност.

Напајања у комутираном режиму су обично регулисана, а да би излазни напон био константан, напајање користи контролер повратне спреге који прати струју коју троши оптерећење. Радни циклус пребацивања се повећава како се повећавају захтеви за излазном снагом.

SMPS често обухватају безбедносне функције као што су ограничавање струје или коло за полугу како би се заштитио уређај и корисник од повреде.^[1] У случају да се детектује неуобичајена потрошња струје велике струје, напајање у комутираном режиму може претпоставити да је ово директан кратки спој и да ће се сам искључити пре него што се оштети. PC напајања често обезбеђују добар сигнал за напајање матичној плочи; одсуство овог сигнала спречава рад када су присутни ненормални напони напајања.

Неки SMPS имају апсолутно ограничење за њихов минимални излаз струје.^[2] Они могу да имају излаз само изнад одређеног нивоа снаге и не могу да функционишу испод те тачке. У стању без оптерећења, фреквенција струјног кола за резање се повећава до велике брзине, узрокујући да изоловани трансформатор делује као Теслин калем, узрокујући штету због резултујућих скокова снаге веома високог напона. Напајања у комутираном режиму са заштитним круговима могу се накратко укључити, али се затим искључити када није детектовано оптерећење. Веома мали лажни терет мале снаге, као што је керамички отпорник за напајање или сијалица од 10 вати, може се прикључити на напајање како би се омогућило да ради без прикљученог примарног оптерећења.

Види још

Прекидачки извор напајања

Референце

^ 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”. Архивирано из оригинала 2013-04-21. г. Приступљено 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”. Архивирано из оригинала 2012-09-07. г. Приступљено 2008-05-08.

Литература

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. Приступљено 21. 3. 2018.
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. Приступљено 31. 8. 2019.
„Applying MOSFETs to Today's Power-Switching Designs”. Electronic Design. 23. 5. 2016. Приступљено 10. 8. 2019.
„google.com/patents - Transistor converter power supply system”. google.com. Приступљено 21. 3. 2018.
Ken Shirriff (јануар 2019). „Inside the Apollo Guidance Computer's core memory”. righto.com. Приступљено 4. 7. 2019.
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. Архивирано из оригинала 2. 8. 2002. г. Приступљено 21. 3. 2018.
„7000 Plugin list”. www.kahrs.us. Приступљено 21. 3. 2018.
tek.com - 7000 Series oscilloscopes FAQ
docmesure.free.fr - TEKSCOPE March 1971 Архивирано на сајту Wayback Machine (1. март 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. Архивирано из оригинала 16. 08. 2021. г. Приступљено 21. 3. 2018.
„Y Combinator's Xerox Alto: restoring the legendary 1970s GUI computer”. arstechnica.com. 26. 6. 2016. Приступљено 21. 3. 2018.
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 изд.), 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 изд.), Newnes, ISBN 0-7506-7329-X
Erickson, Robert W.; Maksimović, Dragan (2001), Fundamentals of Power Electronics (Second изд.), 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 изд.), 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

Спољашње везе

Understanding Linear Power Supply Operation
Load Power Sources for Peak Efficiency, James Colotti, EDN 1979 October 5
Увод у изворе напајања Архивирано на сајту Wayback Machine (2. август 2020)
Извори напајања
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”. Архивирано из оригинала 2013-04-21. г. Приступљено 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”. Архивирано из оригинала 2012-09-07. г. Приступљено 2008-05-08.

[1]

[2]