| [Home] | [Donate!] [Контакты] |
Существуют разные варианты обеспечения устройств электропитанием. Если важны автономность работы, независимость от питающей сети, то используется батарейное питание, т.е. химические источники тока, в том числе - аккумуляторы. Как вариант обеспечения длительной автономной работы, можно рассмотреть использование таких, пока ещё более экзотических источников, как солнечные батареи, ветрогенераторы, термоэлектрические генераторы и т.д.
И, конечно, очень удобным, доступным и недорогим источником электроэнергии для питания устройств, является сеть переменного тока. Так как большинству электронных устройств требуется низковольтное питание постоянным стабилизированным напряжением, то для использования электроэнергии из сети, требуется так называемый вторичный источник питания (или, как частный случай источника питания - блок питания). Его задача - преобразовать напряжение сети в напряжение (как по величине, так и по качеству), которое требуется устройству. В настоящее время наиболее часто применяются импульсные источники, которые благодаря своим неоспоримым преимуществам, практически вытеснили "классические" трансформаторные источники. Тем не менее, существуют области, где традиционная схемотехника сохраняет свои позиции. Рассмотрим особенности, достоинства и недостатки импульсных и трансформаторных источников питания.
Оглавление
Для работы любого электронного устройства требуется наличие одного или даже нескольких питающих напряжений, которые устройство получает от источника питания.
Первичным источником питания называют устройство, которое преобразует какой-либо вид энергии в электрическую (генераторы, солнечные батареи, химические источники и т.д.). Вторичный источник получает питание от какого-либо другого источника электрической энергии; задача вторичного источника - обеспечить требуемые параметры напряжения для питаемого устройства.
Даже если устройство питается от явно первичного источника (например, от батарей), зачастую всё равно можно обнаружить в нём элементы вторичного питания в виде различных цепей для преобразования напряжения. Это могут быть стабилизаторы напряжения (если для питания отдельных узлов недостаточно стабильности напряжения от батарей); понижающие и повышающие преобразователи (если батарея не может обеспечить требуемого напряжения непосредственно), фильтры (для предотвращения проникновения помех из одних цепей в другие через цепи питания) и т.д.
Блок питания - источник вторичного питания, выполненный в виде единой конструкции. Последователи строгой терминологии проводят чёткое разделение между понятиями источника вторичного электропитания и блока питания. С их точки зрения, блок питания - частный случай источника вторичного питания - источник, выполненный в виде единой конструкции. С другой стороны, многие используют термины блок и источник питания как синонимы. Называя блоком питания полностью интегрированный в устройство источник питания, не выделенный конструктивно, мы подразумеваем, что всё же этот источник может быть выделен функционально (относящиеся к нему цепи, мы можем на схеме выделить в отдельный блок).
Источники питания, работающие от сети, всё же обычно конструктивно отделены от остальной части устройства. Это делается хотя бы из соображений электробезопасности. Даже если блок питания размещён на общей печатной плате с устройством, для него выделяется отдельная область; первичные цепи (имеющие гальваническую связь с сетью), отделяются от вторичных достаточно широкими изолирующими зазорами.
Блок питания может быть размещён и на отдельной плате или даже иметь вид законченного модуля (может иметь свой корпус - как изолирующий, так и металлический, способный также выполнять функции экрана).
В настоящее время имеется тенденция выносить блок питания за пределы питаемого устройства, особенно если мощность блока невелика. Внешние блоки питания часто называют также адаптерами питания. При этом, хотя встроенные в устройство блоки питания реже называют адаптерами, это также допустимо (например - блок питания в принтере Canon, официально именуемый адаптером).
Повсеместный переход к использованию внешних блоков питания имеет несколько причин:
Разумеется, есть и негативные моменты в использовании внешних блоков питания:
Блоки питания можно классифицировать по множеству различных оснований. Например, как уже было отмечено, по размещению их можно разделить на внутренние и внешние.
Внешние адаптеры по назначению бывают специализированными (предназначенными для использования совместно с определённым устройством) и универсальными (могут использоваться для питания различных устройств). Для обеспечения совместимости с наибольшим количеством разных устройств, универсальные адаптеры могут иметь набор разных разъёмов, переключатель выходных напряжений, переключатель полярности.
Блоки питания можно классифицировать по основным параметрам: выходному напряжению (или диапазону регулировки напряжения); максимальному току нагрузки (для некоторых импульсных блоков питания также может нормироваться минимальный ток) или мощности и другим параметрам (стабильность выходного напряжения, уровень пульсации, допустимый диапазон напряжений сети и пр.). Наиболее актуальна такая классификация для универсальных адаптеров, поскольку специализированные, очевидно, заведомо разрабатываются требуемыми выходными параметрами для обеспечения совместимости с питаемым устройством.
Особую группу внешних блоков питания образуют лабораторные блоки, к которым предъявляются особые требования: они должны обеспечивать плавную регулировку выходного напряжения в широком диапазоне; как правило, требуется, чтобы они имели двухполярный выход (ещё лучше, если имеется несколько двухполярных выходных каналов); желательно наличие возможности ограничения максимального выходного тока на заданном уровне (по крайне мере, должна быть какая либо защита от перегрузки); желательно отображение тока, потребляемого нагрузкой. Выходное напряжение лабораторного блока питания должно быть стабильным, точно задаваемым, иметь низкий уровень пульсации и не быть зашумлённым. В то же время, массогабаритные параметры и КПД, важные для обычных блоков питания, для лабораторных не столь критичны.
По устройству можно выделить следующие основные типы блоков питания:
Трансформаторные блоки питания* - использовавшиеся на протяжении многих лет источники питания, построенные по традиционной, классической схеме (рис. %img:ls): переменное напряжение сети понижается с помощью трансформатора (1); выпрямляется (2), чаще всего мостовым выпрямителем; пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются электролитическим конденсатором (3) и затем напряжение стабилизируется "линейным" стабилизатором (4). Подробнее о трансформаторных блоках питания и их устройстве смотрите "Трансформаторный (линейный) блок питания".
Рис. %img:ls. Структура трансформаторного блока питания. Т - трансформатор; В - выпрямитель; Ф - (сглаживающий) фильтр; Ст - стабилизатор.
* Хотя название "трансформаторный источник (блок) питания" используется довольно часто, его нельзя назвать удачным: на самом деле трансформатор - важнейший элемент любого блока питания, в том числе и импульсного. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку между сетью и выходом блока питания, делая блок питания безопасным для использования. Между прочим, существуют и действительно бестрансформаторные источники питания, которые также могут быть как не-импульсными, так и импульсными (например, смотрите устройство системы питания в лампах: простейших светодиодных; более-менее качественных светодиодных, люминесцентных лампах). Применение бестрансформаторных источников весьма ограничено и допустимо только в том случае, если сам источник и питаемое устройство надёжно изолированы или как-либо иначе полностью исключена возможность контакта пользователя с любыми их токоведущими частями.
Название "линейный источник (блок) питания" также используется нередко и также оно не слишком удачно. Довольно странно называть источник линейным с учётом того, что в нём имеются существенно нелинейные компоненты (выпрямитель, стабилизатор); сглаживающий конденсатор и трансформатор могут быть названы линейными тоже весьма условно.
Название "непрерывный источник (блок) питания" лучше всего отражает суть этих источников. И вот это название, похоже, используется реже всего.
Трансформаторные блоки питания имеют немало достоинств: крайне просты с точки зрения схемотехники, надёжны, долговечны, очень устойчивы к всплескам сетевого напряжения, не создают помех при работе. В то же время, они имеют большие размеры и массу (прежде всего из-за наличия громоздкого входного трансформатора, работающего на низкой частоте сети 50 или 60 Гц). Имеют низкий КПД из-за рассеивания большой мощности на регулирующем элементе (транзисторе) линейного стабилизатора. Из-за рассеивания большой мощности на регулирующем транзисторе стабилизатора, транзистор требуется устанавливать на большом радиаторе, что также делает вклад в общие габариты блока питания. Трансформаторные блоки питания являются дорогими и неэффективными (особенно при большой мощности и низких выходных напряжениях с высокими требованиями к их стабильности, что часто требуется для питания высокопроизводительных цифровых устройств). Наличие множества серьёзных недостатков у трансформаторных блоков питания стало причиной повсеместного перехода к использованию импульсных блоков питания.
Подробнее трансформаторные источники питания, их устройство и конкретные примеры реализации рассматриваются отдельно, смотрите "Трансформаторный (линейный) блок питания".
В импульсных источниках питания (рис. %img:ps) сетевое напряжение сначала выпрямляется, затем с помощью электролитического конденсатора сглаживаются пульсации (также есть более сложные варианты, где в качестве выпрямителя используется система активной коррекции коэффициента мощности). Полученное высокое постоянное напряжение преобразуется в импульсное повышенной частоты, с помощью импульсного трансформатора оно понижается и затем выпрямителем преобразуется в постоянное. Цепь обратной связи между вторичной и первичной цепями источника питания необходима для реализации функции стабилизации выходного напряжения. Дополнительный стабилизатор на выходе также может быть установлен. Обязательным элементом импульсного блока питания является фильтр электромагнитных помех на входе (для предотвращения проникновения в сеть импульсных помех, создаваемых блоком питания); желателен фильтр и на выходе.
Рис. %img:ps. Структура импульсного блока питания. В - выпрямитель; П - преобразователь постоянного напряжения в импульсное высокой частоты; Т - трансформатор.
В качестве конкретного примера хорошо сконструированного импульсного блока питания небольшой мощности, можно привести "Адаптер питания Canon K30229".
Несмотря на более сложное устройство, эти источники дешевле трансформаторных (более простых, но материалоёмких). При сопоставимой мощности, импульсный блок питания будет в десятки раз меньше по объёму и массе, чем трансформаторный. Импульсные блоки питания способны работать в очень широком диапазоне входных напряжений, они не очень требовательны к параметрам частоты и формы входного напряжения. Имеют высокий КПД. Конечно, есть у них и свои недостатки. Сложность, наличие множества элементов, работающих при высоких напряжениях, всё это сказывается на надёжности. Входные преобразователи (выпрямитель, звено высокочастотного преобразования), выполненные на полупроводниковых приборах, чувствительны к превышению предельно допустимого для них напряжения, поэтому для импульсных источников жизненно необходимы меры по защите от перенапряжений на входе (тем не менее, такая защита отсутствует у простых дешёвых источников, что серьёзно снижает надёжность, делая их уязвимыми к всплескам сетевого напряжения). Импульсные блоки питания могут иметь значительный уровень пульсаций и шума на выходе, характерно наличие высокочастотных составляющих шума в выходном напряжении. Являются источником электромагнитных помех. Могут иметь ограничения на минимальный (!) ток нагрузки; при недостаточной нагрузке работа некоторых источников становится невозможной, либо ухудшаются показатели качества выходного напряжения. Являются нелинейным потребителем для сети - за счёт высокого КПД, потребляемая от сети мощность близка к мощности, потребляемой подключённой к блоку питания нагрузки. При неизменной нагрузке, рост напряжения в сети будет сопровождаться падением потребляемого тока и наоборот, падение напряжения будет приводить к росту потребляемого тока (эффект отрицательного сопротивления). Питающая сеть должна быть рассчитана на такого рода нагрузку, иначе могут возникнуть нежелательные явления - вплоть до возникновения автоколебаний в сети или аварийного отключения неперегруженной сети.
Как видим, импульсные блоки питания имеют немало своих недостатков. В отдельных случаях имеет смысл использовать блоки питания, построенные по гибридной схеме, объединяющей традиционную схемотехнику трансформаторных источников и современных импульсных источников питания. В них сетевое напряжение понижается с помощью трансформатора, затем выпрямляется, пульсации сглаживаются. Затем выпрямленное напряжение подаётся не на линейный, а на импульсный стабилизатор. То есть, в целом, структурная схема такая же, как и у трансформаторного источника питания, только используется импульсный стабилизатор (преобразователь постоянного напряжения) на выходе. Как и трансформаторный, такой блок питания будет очень надёжным и устойчивым к всплескам сетевого напряжения, и как импульсный, будет иметь высокий КПД. Перенос импульсного преобразователя в низковольтную часть схемы увеличивает надёжность и упрощает решение проблем с помехами (по сравнению с обычными импульсными источниками питания). Но приходится мириться с наличием дорогого и громоздкого сетевого трансформатора.
Хороший пример источника питания с рассмотренной структурой - "Стабилизированный адаптер MC060S050GS".
Возможны и другие гибридные варианты, например, импульсный блок питания может быть дополнен линейным стабилизатором на выходе.
К настоящему времени импульсные источники используются так широко, что можно говорить о завершении процесса вытеснения когда-то "традиционных" линейных (трансформаторных) источников. То есть проблемы выбора обычно не возникает - просто выбирается подходящий по параметрам импульсный блок питания. Тем не менее, для трансформаторных источников остались области, где они могут с успехом использоваться:
Компромиссным решением может стать использование гибридного источника питания, который сохраняя большинство преимуществ трансформаторного источника, дополнительно имеет высокий КПД и сохраняет отличные показатели при изменениях напряжения в сети в широких пределах.
Смотрите далее:
Трансформаторный (линейный) блок питания