Vrste napajanja

V elektrotehniki je napajalnik naprava, ki pretvarja električno energijo v izhodno električno napetost, tok in frekvenco, ki jo potrebuje priključena električna naprava. Pretvarja izmenični tok v enosmerni in napaja različne elektronske naprave (računalnik, TV, tiskalnik, usmerjevalnik itd.). Obstajata dve različni vrsti napajalnikov: napetostni vir (zagotavlja konstantno napetost) in tokovni vir (zagotavlja konstanten tok).

Napajalnike za elektronske naprave lahko v glavnem razdelimo na linearne in impulzne:

• linearni napajalniki, v katerih je ustrezen element transformator (obstajajo tudi linearni napajalniki brez transformatorjev);
• stikalni napajalniki z uporabo različnih vrst elektronskih sistemov (napetostni pretvorniki);

Linearni imajo razmeroma preprosto zasnovo, ki lahko postane bolj zapletena, ko se poveča tok, ki ga potrebujejo za napajanje, vendar njihova regulacija napetosti zanje ni zelo učinkovita.

Moč je sestavni del mnogih naprav. Nekatere glavne vrste so:

• Impulzna napajalna enota. Trenutno se večina napajalnikov proizvaja v obliki stikalnih napajalnikov. Njihova prednost je predvsem manjša teža. Ko polprevodniški krmilni in napajalni napajalniki še niso bili na voljo, so bili uporabljeni težji in vzdržljivejši transformatorski napajalniki, ki so omogočili nizkocenovne preklopne napajalnike.
• Računalniški napajalnik. Računalniki vsebujejo stikalno napajanje, ki pretvarja nizko izmenično napetost iz distribucijskega omrežja (230 V, 50 Hz) v nizko napetost, ki se uporablja v električnih tokokrogih računalnika (DC 3,3 V, 5 V in 12 V).
• Omrežni adapter. Je majhen preklopni vir energije, oblikovan in velik kot standardni električni vtič (kot je polnilnik za mobilni telefon), ki se uporablja na 230-voltnem omrežju, ki zagotavlja nizko napetost, potrebno za določeno električno ali elektronsko napravo. Napajalniki za izmenični tok se običajno uporabljajo z napravami in napravami, ki nimajo lastnega notranjega napajanja.
• Vir energije za varjenje. Varilni viri zagotavljajo visok tok (običajno več sto amperov), ki omogoča, da se kovina lokalno stopi in s tem spoji. Prej so se uporabljali tako imenovani varilni transformatorji (s posebnimi elektromagnetnimi transformatorji za visoke varilne tokove), sodobnejši pa so varilni inverterji z elektronskim krmiljenjem.

Notranji upor napajalnika

Idealen napajalnik kot vir napetosti zagotavlja vedno enako napetost ne glede na priključeno obremenitev (tj. napajalna napetost je konstantna pri različnih tokovnih porabah).

Vendar popolnega vira ni, ker notranji upor pravi vir omejuje največji tok, ki lahko teče skozi vezje.

Ta napajalnik lahko s pomočjo regulatorja napetosti zagotavlja stabilno izhodno napetost, ki jo zagotavlja padec napetosti (razlika med vhodno in izhodno napetostjo regulatorja). Primer — Preklopni regulator napetosti

Torej glede na kakovost izhodne napetosti ločimo napajalnike:

• stabilizirani viri, katerih napetost se vzdržuje na konstantni ravni, ne glede na tokovna nihanja,
• neregulirani viri, kjer se lahko izhodna napetost spreminja glede na tokovna nihanja.

Transformatorski linearni napajalniki

Klasične linearne vire sestavljajo naslednji elementi: transformator, usmernik, filter in napetostni regulator.

Shematski diagram linearnega napajanja

Prvič, transformator pretvori omrežno napetost v znižano napetost in zagotovi galvanska izolacija… Imenuje se vezje, ki pretvarja izmenični tok v impulzni enosmerni tok usmernik (za usklajevanje se uporabljajo vezja z diodnimi mostovi), nato pa filter s kondenzatorji in induktorji zmanjša valovanje. Več o filtrih — Napajalni filtri.

Regulacijo ali stabilizacijo napetosti na dano vrednost dosežemo s pomočjo t.i Regulator napetosti, v konstrukciji katerega tranzistorji.

Tranzistor v vezju deluje kot nastavljiv upor.Na izhodu te stopnje, da bi dosegli večjo stabilnost v valu, je druga stopnja filtriranja (čeprav ni nujno, vse je odvisno od konstrukcijskih zahtev), lahko je običajen kondenzator.

Med napajalniki so tisti, v katerih je moč, ki se napaja do obremenitve reguliran s tiristorjiza dobavo zahtevane napetosti in moči obremenitvi.

Nemški laboratorijski napajalnik

Sodobni linearni napajalniki

Stabilizacijo napetosti v osnovnem tipu linearnih virov dosežemo tako, da na tokokrog, ki ga napaja nereguliran vir višje napetosti, prek ustreznega upora povežemo poseben element vzporedno, katerega tokovno-napetostna karakteristika kaže močno povečanje toka pri zahtevani Napetost. To je tak element Zener dioda, ki deluje v širokem razponu mejnih napetosti.

Slabosti napajalnika z zener diodo so sorazmerno nizka stabilnost izhodne napetosti, sorazmerno majhen razpon toka in predvsem nizka učinkovitost, saj se električna energija pretvarja v toploto v serijskem uporu in v sami zener diodi.

Sodobni linearni viri (običajno v obliki integriranega vezja) uporabljajo element s spremenljivo impedanco (linearni tranzistor), ki ga krmili povratna informacija na podlagi razlike med izhodno napetostjo in enosmerno napetostjo iz notranje referenčne napetosti (na osnovi diode vezje, vendar z majhnim enosmernim tokom).

Tipični linearni viri so 78xx IC (npr. 7805 je vir napetosti 5 V) in njihovi derivati.

Pomanjkljivost takšnih linearnih napajalnikov je njihov nizek izkoristek (in ker se disipacija moči v integriranem vezju spreminja glede na toploto in potrebo po hlajenju), zlasti kadar obstaja velika razlika med vhodno in izhodno napetostjo ter visokimi tokovi. včasih je tudi pomanjkljivost, da je izhodna napetost vedno nižja od vhodne.

Prednost je njihova nizka cena, majhnost, enostavna uporaba in pomanjkanje motenj od zunaj in v električnem tokokrogu.

Vgrajen napajalnik v elektrotehničnem laboratoriju

Stikalni napajalniki

V impulznih napajalnikih se uporablja poljski tranzistor, ki se občasno zapre pri relativno visoki frekvenci (desetine kHz ali več) in poveča vhodno napetost vezja, sestavljenega iz kombinacije tuljave, kondenzatorja in diode. S primerno kombinacijo teh elementov je mogoče doseči znižanje in povečanje napetosti.

Druga vrsta impulznega napajanja je napajalnik s transformatorjem in naknadnim diodnim usmernikom, ki izkorišča prednosti (manjša velikost transformatorja pri velikih tokovih, manjše magnetne izgube) sodobnih magnetnih materialov (feriti) pri visokih frekvencah. . S spreminjanjem frekvence lahko dosežete spremembo izhodne napetosti.

Tako tak napajalnik vključuje vezje (običajno v obliki integriranega vezja), ki zagotavlja variacijo frekvence na podlagi povratne informacije iz izhodne napetosti, da se zagotovi stabilna izhodna napetost pod različnimi obremenitvami.

Več o stikalnih napajalnikih: Splošna načela, prednosti in slabosti stikalnih napajalnikov

Ker stikalni napajalniki delujejo s pravokotnimi napetostmi in tokovi, običajno oddajajo elektromagnetne valove v širokem frekvenčnem območju. Zato je pri njihovem ustvarjanju in uporabi potrebno upoštevati načela elektromagnetne združljivosti (EMC).

Laboratorijska oprema

V delavnici ali laboratoriju se za merjenje, testiranje in odpravljanje težav uporablja natančen napajalnik. Ti laboratorijski napajalniki pretvarjajo, popravljajo in uravnavajo napetosti ter izhodne tokove, tako da je mogoče opraviti meritve, ne da bi pri tem poškodovali preskušane naprave.

Poglej tudi:Napajalniki za naprave industrijske avtomatizacije