Zasilacz - AC adapter

Zasilacz sieciowy typu „wall-wart” do domowej konsoli do gier. Wyjście posiada złącze beczkowe .
Zasilacz sieciowy do laptopa Lenovo

Adapter AC , AC / DC adapter , lub konwerter AC / DC to rodzaj zewnętrznego zasilacza , często zamknięte w obudowie podobnej do wtyku sieciowego . Inne powszechne nazwy to pakiet wtykowego , Adapter wtykowy , bloku adaptera , zasilaczem domowego , zasilacz linii , brodawki ścian , cegły zasilania , ładowarkę oraz zasilacza . Adaptery do urządzeń zasilanych bateryjnie można opisać jako ładowarki lub ładowarki (patrz także ładowarka baterii ). Zasilacze AC są używane z urządzeniami elektrycznymi, które wymagają zasilania, ale nie zawierają elementów wewnętrznych , aby uzyskać wymagane napięcie i moc z sieci . Wewnętrzny obwód zewnętrznego zasilacza jest bardzo podobny do projektu, który byłby używany do wbudowanego lub wewnętrznego zasilacza.

Zewnętrzne zasilacze są stosowane zarówno w przypadku urządzeń bez innego źródła zasilania, jak i urządzeń zasilanych bateryjnie , gdzie zasilacz po podłączeniu może czasami dodatkowo ładować baterię, oprócz zasilania urządzenia.

Korzystanie z zewnętrznego źródła zasilania umożliwia przenoszenie sprzętu zasilanego z sieci lub baterii bez dodawania dużej ilości wewnętrznych elementów zasilania i sprawia, że ​​nie jest konieczne wytwarzanie sprzętu do użytku wyłącznie z określonym źródłem zasilania; to samo urządzenie może być zasilane z sieci 120 VAC lub 230 VAC, akumulatora pojazdu lub samolotu za pomocą innego zasilacza . Kolejną zaletą tych projektów może być zwiększone bezpieczeństwo; ponieważ niebezpieczne napięcie sieciowe 120 lub 240 V jest przekształcane na niższe, bezpieczniejsze napięcie w gniazdku ściennym, a urządzenie obsługiwane przez użytkownika jest zasilane tym niższym napięciem.

Tryby działania

Zasilacz sieciowy zdemontowany, aby odsłonić prosty, nieregulowany liniowy obwód zasilania DC: transformator, cztery diody w prostowniku mostkowym i kondensator elektrolityczny, aby wygładzić przebieg

Pierwotnie większość zasilaczy AC/DC była zasilaczami liniowymi , zawierającymi transformator do konwersji napięcia sieci elektrycznej na niższe napięcie, prostownik do konwersji na pulsujący prąd stały oraz filtr do wygładzania fali pulsującej na prąd stały, ze zmianami tętnień szczątkowych wystarczająco małe, aby pozostawić zasilane urządzenie nienaruszone. Wielkość i waga urządzenia była w dużej mierze zdeterminowana przez transformator, który z kolei był determinowany mocą wyjściową i częstotliwością sieci . Oceny powyżej kilku watów sprawiły, że urządzenia były zbyt duże i ciężkie, aby można je było fizycznie podtrzymywać w gniazdku ściennym. Napięcie wyjściowe tych adapterów zmieniało się wraz z obciążeniem; w przypadku sprzętu wymagającego bardziej stabilnego napięcia dodano obwody liniowego regulatora napięcia . Straty w transformatorze i regulatorze liniowym były znaczne; sprawność była stosunkowo niska, a znaczna moc rozpraszana jako ciepło, nawet gdy nie napędzał obciążenia.

Na początku XXI wieku zasilacze impulsowe (SMPS) stały się niemal wszechobecne w tym celu ze względu na ich niewielkie rozmiary i niewielką wagę w stosunku do ich mocy wyjściowej. Napięcie sieciowe jest prostowane do wysokiego napięcia stałego sterującego obwodem przełączającym, który zawiera transformator pracujący z wysoką częstotliwością i wytwarza prąd stały o pożądanym napięciu. Tętnienie o wysokiej częstotliwości jest łatwiej odfiltrowywane niż w przypadku częstotliwości sieciowej. Wysoka częstotliwość sprawia, że ​​transformator jest mały, co zmniejsza jego straty; a regulator przełączający może być znacznie bardziej wydajny niż regulator liniowy. Rezultatem jest znacznie wydajniejsze, mniejsze i lżejsze urządzenie. Bezpieczeństwo jest zapewnione, podobnie jak w starszym obwodzie liniowym, ponieważ transformator nadal zapewnia izolację galwaniczną .

Obwód liniowy musi być zaprojektowany dla określonego, wąskiego zakresu napięć wejściowych (np. 220–240 VAC) i musi używać transformatora odpowiedniego do częstotliwości (zwykle 50 lub 60 Hz), ale zasilacz impulsowy może pracować wydajnie bardzo szeroki zakres napięć i częstotliwości; pojedyncza jednostka 100–240 VAC obsłuży prawie każde zasilanie sieciowe na świecie.

Jednakże, o ile nie są bardzo starannie zaprojektowane i nie używają odpowiednich komponentów, adaptery przełączające są bardziej podatne na awarie niż starsze typy, częściowo ze względu na złożone obwody i zastosowanie półprzewodników. Jeśli nie są dobrze zaprojektowane, adaptery te mogą być łatwo uszkodzone przez przeciążenia, nawet przejściowe , które mogą pochodzić z pioruna , krótkotrwałego przepięcia w sieci (czasem spowodowanego przez żarówkę na tym samym obwodzie zasilania), degradacji komponentów itp. Bardzo powszechny tryb awarii wynika z zastosowania kondensatorów elektrolitycznych, których równoważna rezystancja szeregowa (ESR) wzrasta wraz z wiekiem; regulatory przełączające są bardzo wrażliwe na wysokie ESR (starsze układy liniowe również wykorzystywały kondensatory elektrolityczne, ale efekt degradacji jest znacznie mniej dramatyczny). Dobrze zaprojektowane obwody zwracają uwagę na ESR, znamionowy prąd tętnienia, działanie impulsowe i temperaturę znamionową kondensatorów.

Wiele niedrogich zasilaczy prądu przemiennego z przełączanym trybem nie zapewnia odpowiedniego filtrowania i/lub ekranowania generowanych przez nie zakłóceń elektromagnetycznych . Charakter tych szybkich, wysokoenergetycznych projektów przełączających jest taki, że gdy te środki zapobiegawcze nie zostaną wdrożone, stosunkowo wysokie harmoniczne energii mogą być generowane i emitowane do części radiowej widma. Ilość energii RF zwykle maleje wraz z częstotliwością; tak więc, na przykład, zakłócenia w paśmie fal średnich (US AM) w obszarze jednego megaherca mogą być silne, podczas gdy zakłócenia w paśmie transmisji FM około 100 MHz mogą być znacznie mniejsze. Odległość jest czynnikiem; im bliższe są zakłócenia odbiornika radiowego, tym będą bardziej intensywne. Nawet odbiór Wi-Fi w zakresie gigaherców może ulec pogorszeniu, jeśli anteny odbiorcze znajdują się bardzo blisko promieniującego zasilacza prądu przemiennego. Aby określić, czy zakłócenia pochodzą z określonego zasilacza sieciowego, można po prostu odłączyć podejrzany zasilacz, obserwując ilość zakłóceń odbieranych w problematycznym paśmie radiowym. W nowoczesnym środowisku domowym lub biznesowym może być używanych wiele zasilaczy AC; w takim przypadku odłącz je wszystkie, a następnie podłącz je z powrotem jeden po drugim, aż do znalezienia sprawcy lub sprawców.

Zalety

Zewnętrzne zasilacze AC są szeroko stosowane do zasilania małych lub przenośnych urządzeń elektronicznych. Zalety to:

  • Bezpieczeństwo — zewnętrzne zasilacze mogą uwolnić projektantów produktów od martwienia się o pewne problemy z bezpieczeństwem. Wiele urządzeń tego typu wykorzystuje tylko napięcia wystarczająco niskie, aby nie stwarzać wewnętrznego zagrożenia bezpieczeństwa , chociaż zasilacz z konieczności musi korzystać z niebezpiecznego napięcia sieciowego. W przypadku korzystania z zewnętrznego źródła zasilania (zwykle poprzez złącze zasilania, często typu koncentrycznego ), sprzęt nie musi być projektowany z uwzględnieniem niebezpiecznych napięć wewnątrz obudowy. Jest to szczególnie istotne w przypadku sprzętu z lekkimi obudowami, które mogą pękać i odsłaniać wewnętrzne części elektryczne.
  • Redukcja ciepła — ciepło zmniejsza niezawodność i żywotność komponentów elektronicznych i może powodować niedokładność lub awarię wrażliwych obwodów. Oddzielny zasilacz usuwa źródło ciepła z urządzenia.
  • Redukcja szumów elektrycznych — ponieważ emitowany szum elektryczny zmniejsza się wraz z kwadratem odległości, na korzyść producenta jest przekształcenie potencjalnie zaszumionej sieci prądu przemiennego lub zasilania samochodowego w „czysty”, filtrowany prąd stały w zewnętrznym zasilaczu, w bezpiecznej odległości od obwody wrażliwe na zakłócenia.
  • Redukcja wagi i rozmiaru – Usunięcie elementów zasilających i wtyczki sieciowej z urządzeń zasilanych akumulatorami zmniejsza wagę i rozmiary, które muszą być przenoszone.
  • Łatwość wymiany — zasilacze są bardziej podatne na awarie niż inne obwody ze względu na ich wystawienie na skoki napięcia i wewnętrzne wytwarzanie ciepła odpadowego . Zewnętrzne zasilacze mogą być szybko wymienione przez użytkownika bez konieczności naprawy zasilanego urządzenia.
Zasilacz sieciowy obsługujący cztery różne systemy wtyczek AC
  • Wszechstronność konfiguracji — produkty elektroniczne zasilane zewnętrznie mogą być używane w razie potrzeby z różnymi źródłami zasilania (np. 120 VAC, 240 VAC, 12 VDC lub zewnętrzny zestaw akumulatorów), w celu wygodnego użytkowania w terenie lub podczas podróży.
  • Uproszczona inwentaryzacja, dystrybucja i certyfikacja produktów — produkt elektroniczny, który jest sprzedawany i używany na całym świecie, musi być zasilany z szerokiej gamy źródeł zasilania i musi spełniać przepisy dotyczące bezpieczeństwa produktów w wielu jurysdykcjach, zwykle wymagając kosztownej certyfikacji przez krajowe lub regionalne agencje ds. bezpieczeństwa, takie jak jako Underwriters Laboratories lub Technischer Überwachungsverein . Pojedyncza wersja urządzenia może być używana na wielu rynkach, z różnymi wymaganiami dotyczącymi zasilania spełnianymi przez różne zewnętrzne zasilacze, tak że tylko jedna wersja urządzenia musi być produkowana, magazynowana i testowana. Jeżeli projekt urządzenia zmienia się z upływem czasu (częste zjawisko), sam projekt zasilacza nie musi być ponownie testowany (i vice versa).
  • Stałe napięcie jest wytwarzane przez określony typ adaptera stosowanego do komputerów i laptopów . Tego typu adaptery są powszechnie znane jako eliminatory.

Problemy

Konfiguracja w linii „Power Brick” z odłączanym przewodem zasilającym

Ankieta wśród konsumentów wykazała powszechne niezadowolenie z kosztów, niedogodności i marnotrawstwa dużej liczby zasilaczy używanych w urządzeniach elektronicznych. Autor science fiction i satyryk Douglas Adams napisał esej, w którym opłakuje nadmiar i zamieszanie związane z zasilaczami i wzywa do większej standaryzacji.

Efektywność

Miliony nadal nadających się do użytku zasilaczy prądu zmiennego są wyrzucane co roku z powodu słabej lub nieznanej kompatybilności z nowym sprzętem.

Kwestia niesprawności niektórych zasilaczy stała się powszechnie znana, a prezydent USA George W. Bush w 2001 roku określił takie urządzenia jak „Wampiry energetyczne”. W UE i wielu stanach USA wprowadzane są przepisy mające na celu zmniejszenie poziomu marnowania energii przez niektóre z tych urządzeń. Takie inicjatywy obejmują zasilanie w trybie czuwania i inicjatywę One Watt .

Inni jednak twierdzili, że te nieefektywne urządzenia mają niską moc, np. urządzenia, które są używane do małych ładowarek do akumulatorów , więc nawet jeśli mają niską sprawność, ilość energii, którą marnują, stanowi mniej niż 1% zużycia energii elektrycznej w gospodarstwie domowym. .

Biorąc pod uwagę całkowitą sprawność zasilaczy dla małych urządzeń elektronicznych, w raporcie z 2002 r. stwierdzono, że starsze zasilacze oparte na liniowym transformatorze częstotliwości sieciowej mają sprawność w zakresie 20–75% i wykazują znaczne straty energii, nawet gdy są zasilane, ale nie dostarczają. moc. Zasilacze impulsowe (SMPS) są znacznie bardziej wydajne; dobry projekt może być wydajny w 80-90%, a ponadto jest znacznie mniejszy i lżejszy. W 2002 r. większość zewnętrznych zasilaczy typu „wall wart” powszechnie stosowanych w urządzeniach elektroniki użytkowej o niskim poborze mocy miała konstrukcję liniową, podobnie jak zasilacze wbudowane w niektóre urządzenia.

Zewnętrzne zasilacze są zwykle podłączone, nawet gdy nie są używane, i zużywają od kilku watów do 35 watów mocy w tym stanie. W raporcie stwierdzono, że około 32 miliardy kilowatogodzin (kWh) rocznie, około 1% całkowitego zużycia energii elektrycznej, można by zaoszczędzić w Stanach Zjednoczonych, zastępując wszystkie liniowe zasilacze (średnia wydajność 40–50 %) zaawansowanymi projektami przełączania (sprawność 80–90%), poprzez zastąpienie starszych zasilaczy przełączających (sprawność poniżej 70%) zaawansowanymi konstrukcjami (sprawność co najmniej 80%) oraz poprzez zmniejszenie zużycia zasilaczy w trybie czuwania do nie więcej niż 1 wata.

Od czasu opublikowania raportu zasilacze impulsowe rzeczywiście w dużym stopniu zastąpiły dostawy liniowe, nawet w brodawkach ściennych. Raport z 2002 roku oszacował, że 6% energii elektrycznej zużywanej w USA „przepływa” przez zasilacze (nie licząc tylko brodawek ściennych). Strona internetowa, na której opublikowano raport, stwierdziła w 2010 r., że pomimo rozpowszechnienia zasilaczy impulsowych, „dzisiejsze zasilacze zużywają co najmniej 2% całej produkcji energii elektrycznej w USA. Bardziej wydajne konstrukcje zasilaczy mogą zmniejszyć to zużycie o połowę”.

Ponieważ zmarnowana energia elektryczna jest uwalniana w postaci ciepła , niewydajne źródło zasilania jest gorące w dotyku, podobnie jak takie, które marnuje energię bez obciążenia elektrycznego. To ciepło odpadowe samo w sobie stanowi problem przy ciepłej pogodzie, ponieważ może wymagać dodatkowej klimatyzacji, aby zapobiec przegrzaniu, a nawet usunąć niepożądane ciepło z dużych dostaw.

Uniwersalne zasilacze

Sześciożyłowe złącze na „uniwersalnym” zasilaczu prądu stałego, składające się z czterostykowego złącza X i dwóch oddzielnych pojedynczych złączy (jeden to dziewięciowoltowe złącze akumulatora ). W tym przypadku złącze X zapewnia wtyki telefoniczne 3,5 i 2,5 mm oraz dwa rozmiary koncentrycznego złącza zasilania
Uniwersalny zasilacz do laptopa z regulowanym napięciem od 12 do 24 V

Zewnętrzne zasilacze mogą ulec awarii i mogą zostać oddzielone od produktu, do którego są przeznaczone. W związku z tym istnieje rynek adapterów zamiennych. Wymiana musi pasować do napięć wejściowych i wyjściowych, odpowiadać lub przekraczać obciążalność prądową i być wyposażona w pasujące złącze. Wiele produktów elektrycznych jest słabo oznakowanych informacjami dotyczącymi wymaganego zasilacza, dlatego warto wcześniej zapisać specyfikacje oryginalnego zasilacza, aby ułatwić wymianę w przypadku późniejszej utraty oryginalnego zasilacza. Staranne oznakowanie zasilaczy może również zmniejszyć prawdopodobieństwo pomyłki, która może spowodować uszkodzenie sprzętu.

Niektóre „uniwersalne” zamienne zasilacze umożliwiają zmianę napięcia wyjściowego i polaryzacji w celu dopasowania do różnych urządzeń. Wraz z pojawieniem się zasilaczy impulsowych powszechnie dostępne stały się adaptery, które mogą pracować z dowolnym napięciem od 110 VAC do 240 VAC; wcześniej stosowano wersje 100–120 VAC lub 200–240 VAC. Dostępne są adaptery, które mogą być również używane z zasilaniem pojazdów silnikowych i samolotów (patrz EmPower ) .

Czterokierunkowe złącza X lub sześciodrożne złącza gwiazdowe , znane również jako złącza pająka , z wieloma rozmiarami i typami wtyczek są powszechne w ogólnych zasilaczach. Inne zamienne zasilacze mają możliwość zmiany złącza zasilania, przy zakupie w zestawie od czterech do dziewięciu różnych alternatyw. RadioShack sprzedaje uniwersalne zasilacze AC o różnych pojemnościach, oznaczone jako "Enercell Adaptaplug", wyposażone w dwupinowe żeńskie gniazda kompatybilne z ich linią złączy Adaptaplug . Pozwala to na łączenie wielu różnych konfiguracji zasilaczy AC bez konieczności lutowania. Philmore i inne konkurencyjne marki oferują podobne zasilacze AC z wymiennymi złączami.

Etykieta na zasilaczu może nie być wiarygodnym wskaźnikiem rzeczywistego napięcia dostarczanego w różnych warunkach. Wiele tanich zasilaczy jest „ nieregulowanych ”, ponieważ ich napięcie może się znacznie zmieniać wraz z obciążeniem. Jeśli są lekko obciążone, mogą wydać znacznie większe napięcie niż napięcie znamionowe „na tabliczce znamionowej”, co może spowodować uszkodzenie obciążenia. Jeśli są mocno obciążone, napięcie wyjściowe może znacznie spaść , w niektórych przypadkach znacznie poniżej znamionowego napięcia na etykiecie, nawet w zakresie znamionowego prądu znamionowego, powodując nieprawidłowe działanie lub uszkodzenie dostarczanego sprzętu. Dostawy z liniowymi (w przeciwieństwie do przełączanych) regulatorami są ciężkie, nieporęczne i drogie.

Nowoczesne zasilacze impulsowe (SMPS) są mniejsze, lżejsze i bardziej wydajne. Wytwarzają znacznie bardziej stałe napięcie niż zasilacze nieregulowane, ponieważ zmienia się napięcie wejściowe i prąd obciążenia. Po wprowadzeniu ich ceny były wysokie, ale na początku XXI wieku ceny komponentów impulsowych spadły do ​​takiego stopnia, że ​​nawet tanie materiały eksploatacyjne mogły korzystać z tej technologii, oszczędzając koszt większego i cięższego transformatora częstotliwości sieciowej.

Adaptery z automatycznym wykrywaniem

Niektóre uniwersalne adaptery automatycznie ustawiają swoje napięcie wyjściowe i maksymalny prąd w zależności od tego, która z gamy wymiennych końcówek jest zamontowana; dostępne są wskazówki pozwalające dopasować i zapewnić odpowiednią moc wielu notebookom i urządzeniom mobilnym. Różne końcówki mogą korzystać z tego samego złącza, ale automatycznie dostarczają inną moc; konieczne jest użycie odpowiedniej końcówki do zasilanego urządzenia, ale żaden przełącznik nie musi być prawidłowo ustawiany przez użytkownika. Pojawienie się zasilaczy impulsowych umożliwiło pracę adapterów z dowolnego źródła prądu przemiennego od 100 do 240 V z odpowiednią wtyczką; może być również obsługiwana praca ze standardowych źródeł zasilania 12 V DC dla pojazdów i samolotów. Dzięki odpowiedniemu adapterowi, akcesoriom i końcówkom różne urządzenia mogą być zasilane z niemal każdego źródła zasilania.

Zaproponowano system „Green Plug”, oparty na technologii USB , dzięki któremu urządzenie konsumujące będzie informować zewnętrzny zasilacz o tym, jaki rodzaj zasilania jest potrzebny.

Ładowarka do laptopa

Zewnętrzny zasilacz impulsowy do laptopa firmy Hewlett Packard

We wczesnych laptopach zasilacze były wewnętrzne, podobnie jak w komputerach stacjonarnych . Aby ułatwić przenoszenie, oszczędzając przestrzeń fizyczną i zmniejszając wagę, zasilacze zostały przeniesione na zewnątrz.

Gdy komputer działa podczas ładowania, ten zintegrowany układ , który kontroluje marki ładowania korzystać z pozostałego zasilaczem za prądu elektrycznego pojemności. Pozwala to na zasilenie podzespołów urządzenia podczas użytkowania przy zachowaniu bezkompromisowej stałej prędkości ładowania.

Korzystanie z USB

Typowe rozmiary zasilaczy sieciowych USB

USB złącze (i napięcia) stał się de facto standardem w zasilaczy małej mocy dla wielu urządzeń przenośnych. Oprócz szeregowej cyfrowej wymiany danych , standard USB zapewnia również zasilanie 5 VDC , do 500 mA ( 900 mA przez USB 3.0). Liczne gadżety dodatkowe (" ozdoby USB ") zostały zaprojektowane do podłączenia do USB tylko w celu zasilania prądem stałym, a nie do wymiany danych. USB Implementers Forum w marcu 2007 wydała USB Battery Charging Specification, która określa, „... granice, a także wykrywanie, kontrolę i mechanizmy do urządzeń pozwolenia raportowanie pobierają prąd w nadmiarze ze specyfikacją USB 2.0 do ładowania ...” . Wentylatory elektryczne, lampy, alarmy, podgrzewacze do kawy, ładowarki akumulatorów, a nawet zabawki zostały zaprojektowane tak, aby pobierać energię ze złącza USB. Adaptery wtykowe wyposażone w gniazda USB są powszechnie dostępne do konwersji zasilania 120 VAC lub 240 VAC lub 12 VDC zasilania samochodowego na 5 VDC USB (patrz zdjęcie po prawej).

Trend w kierunku bardziej kompaktowych urządzeń elektronicznych spowodował przesunięcie w kierunku złączy micro-USB i mini-USB , które są elektrycznie kompatybilne pod względem funkcji z oryginalnym złączem USB, ale fizycznie mniejsze.

W 2012 r. zaproponowano specyfikację zasilania USB, aby ujednolicić dostarczanie do 100 watów, odpowiednie dla urządzeń takich jak laptopy, które zwykle zależą od zastrzeżonych adapterów.

Normy

ITU opublikowała zalecenie ITU-T L.1000, „Uniwersalny zasilacz i rozwiązanie do ładowania dla terminali mobilnych i innych ręcznych urządzeń ICT”, które określa ładowarkę podobną pod wieloma względami do tej z propozycji GSMA/OMTP i do europejskiej Wspólne zasilanie zewnętrzne . Zalecenie ITU zostało rozszerzone i zaktualizowane w czerwcu 2011 r. Mamy nadzieję, że znacznie zmniejszy się obfitość niewymiennych zasilaczy.

Unia Europejska określiła wspólne zasilanie zewnętrzne dla „ręczne danych włączone telefony komórkowe” ( smartfony ) sprzedawany od 2010 roku, ma na celu zastąpienie wielu niekompatybilnych zastrzeżonych zasilacze i eliminacji odpadów poprzez zmniejszenie całkowitej liczby dostaw produkowanych. Zgodne zasilacze dostarczają 5 VDC przez złącze micro-USB, z preferowanym napięciem wejściowym w zakresie od 90 do 264 VAC.

W 2006 r. Larry Page , założyciel Google , zaproponował standard 12 V i do 15 A dla prawie wszystkich urządzeń wymagających zewnętrznego konwertera, z nowymi budynkami wyposażonymi w okablowanie 12 V DC , dzięki czemu zewnętrzne obwody adaptera AC-DC nie są konieczne.

IEC stworzyło standard dla wymiennych zasilaczy do laptopów, IEC 62700 (pełna nazwa „Specyfikacja techniczna IEC 62700: Zasilacz prądu stałego do notebooka”), który został opublikowany 6 lutego 2014 roku.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki