| [Home] | [Donate!] [Контакты] |
Несмотря на то, что импульсные источники, имея массу преимуществ (они являются компактными, лёгкими, дешёвыми, энергоэффективными и т.д.), практически повсеместно вытеснили классические трансформаторные (они же линейные) источники, последние сохранили свою область применения. Они используются там, где могут наилучшим образом проявить такие свои достоинства, как высокую надёжность, устойчивость к всплескам входного напряжения, низкий уровень пульсаций и шума на выходе (по крайней мере, легко это достижимо при необходимости), низкий уровень помех и наводок от работающего источника. Также классические трансформаторные источники с успехом могут использоваться в области малых мощностей, где они становятся сопоставимы с импульсными по массогабаритным характеристикам. Дело в том, что импульсные источники имеют существенно более сложное устройство, а также для них обязательно наличие фильтров электромагнитных помех - это не столь существенно при больших мощностях, но с уменьшением мощности источника всё больше ограничивает возможности по дальнейшему уменьшению размеров конструкции.
Оглавление
Базовый вариант блок-схемы линейного источника питания изображён на рис. %img:bsc1. Большинство линейных источников небольшой мощности строится в соответствии с данной схемой. Если источник должен иметь несколько выходных напряжений (несколько выходных каналов), то каждый канал может быть построен по аналогичной схеме и тогда он будет полностью независимым от остальных. Но чаще канал имеет не отдельный трансформатор, а отдельную вторичную обмотку на общем трансформаторе. Либо может даже использоваться общая обмотка и выпрямитель, а разные выходные напряжения получаются от отдельных стабилизаторов (при одинаковой полярности этих напряжений). Конечно, возможны и самые разнообразные комбинации указанных вариантов - в зависимости от того, какой из них окажется оптимальным с учётом требований к источнику питания.
В верхней части рисунка видим собственно блок-схему источника, ниже изображена соответствующая ей возможная принципиальная схема. Внизу показан приблизительный (идеализированный) вид осциллограмм в характерных точках: первая снята на вторичной обмотке трансформатора; следующие две - в отмеченных зелёными кружками точках относительно общего провода. На данной схеме на выходе имеем положительный потенциал относительно общего провода, но возможно модифицировать схему для получения отрицательного потенциала; можно совместить две схемы в одном устройстве для получения двухполярного источника питания.
На блок-схеме:
Как бы ни были просто устроены линейные блоки питания, с развитием элементной базы, появляются новые технические решения. Например, сейчас существуют весьма совершенные (стабильные и точные) источники опорного напряжения, которые могут использоваться в схемах стабилизации (вместо стабилитронов с присущими им недостатками). И даже есть законченные стабилизаторы в виде интегральных схем, имеющие собственный встроенный источник опорного напряжения и не требующие дополнительных внешних элементов. Они обладают весьма хорошими характеристиками; в них бывают реализованы дополнительные полезные функции (такие, как защита от перегрузки, защита от перегрева). Среди них есть модели достаточно мощные модели.
Но мы в качестве примера блока питания, спроектированного в соответствии с базовой блок-схемой, рассмотрим самый, что ни на есть классический вариант блока питания, построенного полностью на самых простых дискретных элементах. Речь идёт об очень старом, но довольно интересном адаптере "Кварц БП-1", который детально анализируется в отдельной статье "Блок питания "Кварц БП-1"".
Блок питания "Кварц БП-1".
Кроме рассмотренной базовой структуры источника питания, возможны другие варианты, отличающиеся как в сторону упрощения, так и в сторону усложнения.
Трансформатор - простейший источник питания, с переменным нестабилизированным выходным напряжением (рис. %img:ssc1). Может использоваться, если нагрузка допускает питание переменным током, например, для питания ламп накаливания или нагревательных элементов. Необходимость преобразования напряжения в подобных случаях может быть обусловлена соображениями безопасности (допустим, использование пониженного напряжения для освещения помещений с высокой влажностью) или связана с другими причинами. Например, в оптических приборах в качестве источника света больше подходят низковольтные лампы, так как они имеют короткую, компактную нить накала (впрочем, лампы накаливания всё больше вытесняются полупроводниковыми источниками света). Нагревательный элемент, питаемый пониженным напряжением, при заданной мощности должен иметь меньшее сопротивление, а значит, может быть сделан более коротким и иметь большее сечение, в результате чего он будет более прочным и надёжным.
В качестве примеров таких приборов, в которых используется просто трансформатор как источник питания, можно привести диапроектор (и некоторые другие виды оптических проекторов) или прибор для выжигания по дереву.
Существуют также сетевые адаптеры, содержащие в себе только трансформатор. Надо отметить, это довольно редко встречающееся конструктивное решение, тем не менее, оно вполне обоснованное. Позволяет вынести за пределы основного устройства наиболее громоздкий элемент - трансформатор; исключить из питаемого устройства все цепи, находящиеся под опасным напряжением сети. При этом адаптер получается предельно простым, в то же время, остальные элементы источника питания вполне органично вписываются в основное устройство, питаемое адаптером. Пример - адаптер питания от телефона с автоответчиком, "Adaptor 753 (British Telecommunications)"; по указанной ссылке можно найти подробный обзор данного адаптера. Ниже можно увидеть фотографию этого устройства.
Адаптер питания Adaptor 753.
Трансформатор и выпрямитель - источник питания с пульсирующим нестабилизированным выходным напряжением (рис. %img:ssc2). Может найти применение в тех редких случаях, когда высокий уровень пульсаций допустим. Например, для проведения электролиза или в простейших зарядных устройствах для аккумуляторов (но, строго говоря, в любом из указанных случаев потребуется ещё и элементы для ограничения тока).
Или, как и в предыдущем случае, возможна реализация подобного устройства в виде адаптера, питающего основное устройство, которое и содержит недостающие компоненты источника питания: сглаживающий фильтр и стабилизатор. Такого вида адаптеры - редкость, обычно если имеется выпрямитель, то устанавливается и сглаживающий конденсатор. Тем не менее, они существуют, например, адаптер питания NOKIA ACP-7E (использовался для заряда некоторых моделей телефонов Nokia, сейчас уже вышедших из употребления).
Адаптер питания NOKIA ACP-7E.
Интересная область применения источников с пульсирующим выходным напряжением - питание устройств управления тиристорными ключами, работающими в цепях переменного тока. Такие схемы можно найти в регуляторах мощности пылесосов (рис. %img:lg_reg, блок питания выделен отличающимся цветом фона). Благодаря использованию питания пульсирующим напряжением, очевидно, изменяющимся синхронно с сетевым напряжением, схема управления получается крайне простой.
Подробнее о тиристорном регулировании мощности в цепях переменного тока смотрите по ссылке "Тиристорный регулятор мощности".
Трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр - источник питания с нестабилизированным выходным напряжением и значительным уровнем пульсаций (рис. %img:ssc3). Данный вариант также походит для реализации в виде сетевого адаптера. В питаемом устройстве остаётся разместить стабилизатор (если это необходимо). Такое решение имеет свои преимущества: благодаря размещению стабилизатора непосредственно в питаемом устройстве, можно не беспокоиться о падении напряжения в соединительных проводах или о наводках в соединительном кабеле.
По подобной схеме строятся дешёвые адаптеры с регулируемым выходным напряжением. Их вторичная обмотка содержит несколько отводов, между которыми можно переключаться с помощью механического переключателя, изменяя напряжение на входе выпрямителя и, соответственно, на выходе адаптера (рис. %img:srpc1).
Здесь S1 переключает напряжение на входе выпрямителя, изменяя степень включения вторичной обмотки; S2 переключает полярность выходного напряжения.
Далее размещена фотография реального универсального адаптера с переключаемым выходным напряжением, построенного по подобной схеме (позаимствовано со страницы Wikipedia, "Вторичный источник электропитания").
Рис. %img:vps. Простой трансформаторный блок питания с переключаемым выходным напряжением
Для расширения функциональности, повышения удобства пользования, улучшения характеристик и увеличения надёжности, в базовую структуру источника питания вводят дополнительные компоненты. Важнейшими из них являются элементы защиты: от короткого замыкания в блоке питания или от замыкания одной из линий сети на заземляющий провод, от перегрузки по току на выходе, от превышения допустимого значения выходного напряжения (вследствие неисправности источника), от перегрева.
Может присутствовать фильтр от электромагнитных помех на входе. Обязательный для импульсных источников, в линейных, по правде говоря, встречается редко - как правило, острая необходимость в нём отсутствует.
Желательно наличие специфичной именно для трансформаторных источников цепи подавления переходных процессов - RC цепи, подключённой к первичной обмотке трансформатора.
Возможно наличие элементов управления (сетевой выключатель, переключатель для выбора номинального напряжения сети 230/115 В, регулятор выходного напряжения, регулятор величины ограничения выходного тока) и индикации (световой индикатор включения, индикатор выходного напряжения и тока).
Весьма полезными могут оказаться разного рода индикаторы. Это могут быть простые световые индикаторы (индикатор включения, индикатор перегрузки) или более информативные - амперметр и вольтметр для измерения выходного тока и напряжения соответственно.
На рис. %img:ps_ext1 приведена схема источника с некоторыми из перечисленных дополнительных компонентов. На схеме:
1 - блок плавких предохранителей FU1, FU2; обеспечивает защиту от коротких замыканий в блоке питания и в некоторых случаях от перегрузки на выходе;
2 - выключатель Q1; добавлен для удобства включения/отключения устройства;
3 - защита от высоковольтных всплесков в сети FV1 и фильтр электромагнитных помех L1, C1, C2, C3;
4 - RC-цепь гашения переходных процессов в трансформаторе при отключении от сети;
5, 6, 7 - базовая часть схемы (трансформатор, выпрямитель, фильтр);
8 - индикатор включения - светодиод LED.
На схеме не показаны устройства стабилизации и защиты от перегрузок и перенапряжения на выходе, эти вопросы будут рассматриваться отдельно.
Интересно, что, по крайней мере для маломощных устройств, компоненты защиты не являются обязательными. Естественно, что в маломощных источниках питания используются маломощные трансформаторы. И если для мощных трансформаторов короткое замыкание крайне опасно и приводит к перегреву и разрушению, то маломощные трансформаторы намного более терпимы к перегрузкам и коротким замыканиям. Более того, часто трансформаторы малой мощности (единицы ватт) проектируются полностью устойчивыми к короткому замыканию. То есть, для них короткое замыкание вторичной обмотки при номинальном напряжении на первичной - допустимый режим, в котором трансформатор способен работать длительное время и при этом не будет происходить перегрева свыше определённого значения. Ток вторичной обмотки при коротком замыкании не превышает определённой известной величины и если схему выпрямления и стабилизации рассчитать на этот ток, то дополнительных мер по ограничению тока нагрузки не потребуется - полностью устойчивый к короткому замыканию трансформатор ограничит ток естественным образом.
Одновременно автоматически решается проблема с броском тока, возникающим при заряде конденсатора сглаживающего фильтра в момент подключения блока питания к сети. Этот ток также ограничивается трансформатором. В данном случае даже не требуется полная устойчивость трансформатора к короткому замыканию в виду кратковременности процесса.
Что касается RC-цепи (блок 4 на рис. %img:ps_ext1), которая ограничивает эдс самоиндукции при размыкании цепи первичной обмотки трансформатора (т.е. при отключении от сети), то её наличие желательно, если возможны ситуации, когда трансформатор отключается от сети при ненагруженных вторичных обмотках. В этих случаях трансформатор ведёт себя как очень большая индуктивность со всеми вытекающими последствиями (возникает импульс высокого напряжения на первичной обмотке при отключении от сети, в результате - искрение в контактах выключателя и их обгорание, излучение импульсной помехи, способной повлиять на работу расположенной рядом чувствительной аппаратуры). Если же хотя бы к одной вторичной обмотке подключён выпрямитель со сглаживающим фильтром, то этот фильтр будет выполнять функцию подавления выбросов напряжения даже лучше RC-цепи на входе (ввиду очень большой ёмкости конденсатора в фильтре*). Конечно, остаётся эффект от индуктивности рассеяния, но она во много раз меньше собственной индуктивности обмотки и возникающий на ней импульс будет в некоторой степени подавлен небольшой паразитной ёмкостью обмотки.
* Например, пусть имеем трансформатор с входным номинальным напряжением 230 В, коэффициентом трансформации 1/23 (10 В на выходе на холостом ходу и номинальном напряжении на первичной обмотке); пусть конденсатор фильтра имеет довольно скромную ёмкость 1000 мкФ; тогда этот конденсатор будет эквивалентен конденсатору на входе ёмкостью 1000 * (1 / 23) 2 = 1.9 мкФ - более чем достаточная величина.
С другой стороны, фильтр электромагнитных помех и RC-цепь в некоторой степени снижают надёжность блока питания. Если качественный трансформатор сам по себе очень устойчив к высоковольтным всплескам напряжения, то конденсаторы более чувствительны к подобным воздействиям. В результате, блок питания в целом окажется более требователен к качеству напряжения в сети.
От многих дополнительных элементов можно отказаться, но наличие предохранителей на входе блока питания (FU1, FU2 на схеме) всё же желательно - на случай короткого замыкания в первичной обмотке трансформатора, например.
Смотрите далее:
Примеры реальных блоков питания
