Блок питания импульсный или трансформаторный что лучше

Разработка электроники

Лаборатория: Битва источников питания: Импульсные блоки против тороидальных трансформаторов

Изучаем, влияет ли на качество звука тип блока питания в аудио-технике

Среди ценителей качественного звука существует немало мнений, что импульсные блоки питания не годятся для использования в аудиотехнике. Но так ли это? Давайте попробуем разобраться! Мы возьмем один усилитель, запитаем его сначала от импульсного блока, а потом и от «канонического» тороидального трансформатора и проведем измерения качества звука: уровень искажений и показатели выходной мощности. И сделаем выводы.

Совсем немного истории

Трансформатор был изобретен аж в XIX веке, и получил широкое распространение вполне «естественным» образом – просто ничего более подходящего не было.

Импульсные блоки питания были изобретены в конце 1960-х годов, почти сто лет спустя после изобретения трансформатора. Это стало возможным с существенным развитием полупроводниковой отрасли.

Краткая теория

В блоке питания сетевое напряжение понижается трансформатором, выпрямляется выпрямителем и сглаживается конденсатором. Частота тока питающей сети 50 Hz требует применения больших и тяжелых железных магнитопроводов (при меньшей частоте нужна большая величина магнитной индукции). Импульсные блоки питания работают по принципу преобразования сетевого напряжения в ток в 1000 раз более высокой частоты, примерно 50-80 kHz , что позволяет использовать магнитопроводы из эффективных ферромагнитных материалов, обмотки из меньшего количества витков провода и сглаживающие конденсаторы меньшей ёмкости. Это даёт радикальное уменьшение габаритов и веса блока питания при той-же отдаваемой мощности. И не только это.

Методика тестов и измерений

Для того, чтобы максимально нагрузить усилитель и поберечь свои барабанные перепонки, мы будем использовать в качестве нагрузки на выходах усилителя вот такое устройство:

Это блок высокомощных резисторов по 1Ω, который используются, чтобы получить 4Ω или 8Ω нагрузки. Мы проведём три исследования: исследование работы блоков питания при нагрузке усилителя синусоидальным сигналом, измерение технических характеристик усилителя и субъективное сравнение звучания усилителя, к которому попеременно подключаются импульсный и трансформаторный блоки питания.

Герои тестирования

Два импульсных блока питания Meanwell EPP -200-27. Два, потому что для питания усилителя нужно двухполярное напряжение ±30В, а один такой блок выдает напряжение одной полярности. Номинальная мощность этого блока питания 200 W , итого получаем 400 W мощности. Общая масса блоков питания 380 грамм.

Стоит отдельно отметить, что данные импульсные блоки достаточно качественные. Но мы специально не брали на тест noname-изделия с Али Экспресс, т.к. маловероятно, что серьезные производители аудиотехники используют второсортные комплектующие.

И трансформаторный блок питания, сделанный из трансформатора ТТП400 (2×25В, 7.5А) с номинальной мощностью 400 W , двух выпрямительных мостов на диодах Шоттки и батарей сглаживающих конденсаторов по 40000 мкф в плечо. Это классическая схема питания, применяемая испокон веков и до наших дней. Масса одного только трансформатора, без учёта всего остального — 4.1 килограмм.

Часть 1. Исследование работы под нагрузкой

Сравнивать работу блоков питания будем нагружая усилитель синусоидальным сигналом с частотой 1кгц и снимая с него мощность 350 W . Данный уровень нагрузки мы установим по уровню напряжения на выходе с усилителя в 34,7 Вольт. Тестировать будем как под нагрузкой, так и без нагрузки – в режиме покоя.

Сначала протестируем импульсные блоки питания. Выходное напряжение питания в режиме покоя:

Выходное напряжение под нагрузкой:

Как вы видите, напряжение просело на 84 милливольта, что составляет 0.28% от изначального.

Аналогичным образом проверяем трансформаторный блок питания:

Как видим, под нагрузкой выходное напряжение просаживается на 5.754 Вольта, что составляет 19.1% от изначального. Это в 68 раз больше, чем у импульсных блоков!

Почему так происходит? Давайте посмотрим осциллографом одновременно форму сетевого напряжения и потребляемого от сети тока. Первым идёт ИБП:

Жёлтая кривая — сетевое напряжение, голубая — потребляемый ток. Как вы видите, форма потребляемого тока примерно соответствует напряжению – потребление энергии происходит равномерно, соответственно её поступлению.

А теперь то же самое для ТБП:

Форма тока лишь частично следует за формой напряжения. Энергия потребляется примерно в половину времени её поступления, остальное время ток не течёт, потому что сглаживающий конденсатор заряжается только тогда, когда выпрямленное напряжение снятое с трансформатора больше напряжения на нём.

По этой причине потребляемая трансформатором мгновенная мощность значительно превышает номинально отдаваемую (энергия отдаётся непрерывно всё время, потребляется из сети примерно половину времени, значит потреблять её надо в два раза быстрее).

А теперь посмотрим осциллограммы работы трансформатора без нагрузки и под нагрузкой. Жёлтая линия — напряжение на первичной обмотке (сетевое), голубая — напряжение на вторичной обмотке (отдаваемое).

Как вы видите, форма сетевого напряжения не меняется, а напряжение на вторичной обмотке обрезается на пиках, как раз в тот момент, когда происходит потребление тока:

Причина этого — потери энергии на нагрев обмоток трансформатора, вынужденного отдавать импульсный ток значительно больший номинального. По этой причине с трансформатора номинальной мощностью 400W получается снять лишь 350W. Попытка снять больше приведет к появлению значительных искажений звука из-за просадки напряжения питания. Чтобы уменьшить просадку — нужно увеличивать мощность трансформатора, до полутора-двух раз от потребляемой. А значит — габариты и массу.

С импульсных блоков питания номинальной мощностью 400W можно снять все 400W без просадки напряжения, поскольку в них проблема неравномерного потребления энергии решается электронным узлом, называемым ККМ (корректор коэффициента мощности). Им, согласно нормативным документам, в обязательном порядке должны быть оснащены все ИБП мощностью более 100W. В жизни оно, конечно, не всегда так – часто встречаются «китайские» варианты без ККМ и схем защиты, горящие как спички от неосторожного чиха. Такое просто не нужно использовать.

Теперь проверим, насколько чистое питание выдаётся в усилитель. Осциллограмма пульсаций напряжения ТБП под нагрузкой:

Видим пульсации с удвоенной частотой сети: 100 Hz , и амплитудой 800мв, что составляет 2.6% от полного напряжения. Чтобы снизить амплитуду пульсаций, нужно увеличивать ёмкость сглаживающего конденсатора, что в свою очередь уменьшает период потребления тока и требует дополнительного увеличения мощности трансформатора.

Пульсации напряжения ИБП:

Амплитуда пульсаций импульсного блока питания не превышает 100мв, что в 8 раз меньше амплитуды пульсаций трансформаторного блока питания. Сами пульсации происходят с более высокой частотой и более эффективно устраняются сглаживающими конденсаторами.

Часть 2. Замеры влияния типа источника питания на качество звука

Теперь проверим – влияет ли тип источника питания на качество звука? Для этого мы измерим параметры усилителя с одним и другим источником питания.

Измерительным комплексом у нас выступит система со специализированной картой Lynx Studio E22 и программным обеспечением RightMark Audio Analyzer 6.4.5 PRO .

При тестировании качества звука, мы установим выходную мощность в 60 Вт на канал с нагрузкой в 4 Ом (для этого мы подаем с измеряемого компьютера 1 кГц на вход усилителя, и выставляем громкость по уровню выходного напряжения 15,5 Вольт ( U = Sqrt ( P * R ). U = Sqrt (60*4). U = 15,49).

Запускаем тесты с разными источниками питания и получаем следующие цифры:

Как видим, существенных различий нет, но показатели усилителя при использовании импульсного блока чуть лучше. Это потому, что, как мы уже видели – выходное напряжение трансформаторного блока питания просаживается под нагрузкой.

Часть 3. Субъективное прослушивание

Осталась самая интересная часть – сделать кнопку, при нажатии на которую усилитель будет запитываться от одного источника питания, и при отпускании которой – от другого, и вживую, на играющей музыке проверить – будет ли разница?

Для переключения источников питания по нажатию кнопки мы будем использовать вот такие (опять же, самодельные) устройства – транзисторные силовые ключи:

И вот как выглядит весь наш тестовый стенд после того, как он подготовлен к субъективному прослушиванию:

Мы отслушали несколько разных композиций, переключая наши источники питания по ходу прослушивания, и не смогли на слух определить разницы в качестве звучания. Что подтверждает все полученные нами ранее данные.

Выводы

Наше исследование показало, что тип используемого источника питания на качество звука не влияет. И использование производителями более легких и компактных импульсных блоков очень даже оправдано (тем более, что ИБП, как правило, могут работать от сети и в 110 Вольт, и в 220 Вольт «по умолчанию», а трансформатору для этого нужен отвод от первичной обмотки и переключатель).
Но еще раз отметим, что этот вывод справедлив для качественных блоков питания, в которых не экономили на функциональных узлах.

Спасибо за чтение!

Григорий Можаровский и Роман Ромащенко
2020.05.20

Чем отличается импульсный блок питания от обычного: особенности и отличия

Подавляющее большинство современной электроники работает на постоянном токе с малыми значениями силы и напряжения. Например, роутеры потребляют 12 вольт и 5 ампер, а смартфоны в большинстве случаев – 5 вольт и 2 ампера. Вот только в бытовой сети распространяется совершенно другой ток – переменный, с частотой 60 Гц, напряжением 220 вольт и (обычно) силой до 6 ампер.

Соответственно, для использования электронных приборов в бытовой сети этот ток надо как-то преобразовать. Для этих целей и используются блоки питания. Их задача – трансформация тока для придания ему определённых параметров напряжения, силы, а также частоты (превращения переменного в постоянный).

И если требуется выбрать подходящий блок питания либо соорудить самостоятельно, то чаще всего можно встретить два варианта – обычный, он же трансформаторный, и импульсный. И в чём разница, кроме конструкционной сложности, не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы разберёмся, чем отличается импульсный блок питания от обычного, рассмотрим их особенности и отличия.

Обычные блоки питания (трансформаторного типа)

Трансформаторные блоки питания – одни из первых устройств для преобразования электричества. Они относятся к аналоговому типу, отличаются конструкционной простотой и сравнительно высокой надёжностью. Впрочем, и существенные недостатки вроде слишком крупных габаритов у них также имеются.

Основной функциональный элемент таких БП – трансформатор. Он состоит из двух индукционных катушек. На первую подаётся электричество из бытовой 220-вольтовой сети и создаёт электромагнитное поле. Оно, в свою очередь, наводит индукцию и создаёт электродвижущую силу на второй. Таким образом достигается понижение напряжения.

В дальнейшем электрический ток, созданный на понижающей катушке, передаётся на выпрямляющее устройство. Как правило, оно состоит из нескольких силовых диодов, включённых по схеме моста. Для сглаживания пульсирующего напряжения используется конденсатор, подключённый параллельно диодному мосту, а затем силовые транзисторы его стабилизируют.

В итоге на выходе формируется постоянный ток заданного напряжения и силы. Для регулирования параметров его работы используются специальные резисторы подстройки, включаемые в схему стабилизации.

Обычные БП (трансформаторного типа) характеризуются максимальной конструкционной простотой. В принципиальной схеме элементарного устройства – всего три детали: система катушек, диодный мост и конденсатор.

Ключевые достоинства обычных блоков питания:

1. Простота сборки и конструирования. БП необходимой мощности можно собрать самостоятельно – достаточно лишь понимать принцип работы и точно осознавать, для каких целей планируется использовать аппарат;
2. Высокая надёжность и долговечность. При правильной эксплуатации срок работы аппаратов практически не ограничен. Так, сегодня ещё можно найти функционирующие модели, выпущенные более нескольких десятилетий назад;
3. Доступность комплектующих. Все необходимые детали можно приобрести на радиорынках, у радиолюбителей и в специальных магазинах, заказывать какие-то определённые микросхемы из-за рубежа не требуется;
4. Не создают паразитные радиоволновые токи. Благодаря этому помехи в питающей сети или в конечных потребителях практически не наблюдаются.

Ключевые недостатки обычных блоков питания:

1. Низкий КПД. При передаче электричества трансформаторным способом огромная часть мощности просто теряется. Кроме того, из-за использования стабилизатора на выходе для получения стабильных параметров работы часть КПД дополнительно теряется;
2. Крупногабаритные. Причём чем мощнее БП – тем больше его вес и размеры. Как следствие, высокомощные и вовсе могут быть маломобильными;
3. Создают значительное электромагнитное поле. Тем самым они могут образовывать наводки в других линиях передачи сигнала – например, коаксиальных кабелях или «витой паре».

Все эти недостатки оказываются настолько критическими, что сегодня обычные БП в быту практически не используются. Вместо этого применяются импульсные.

Импульсные блоки питания

Импульсные блоки питания имеют сложную конструкцию и являются устройствами инверторного типа. Их ключевое отличие от обычных заключается в том, что входное напряжение подаётся сразу на выпрямитель. Затем оно формирует импульсы определённой частоты. За это отвечает отдельная подсистема управления, так что импульсные БП являются полноценными цифровыми устройствами.

Поскольку импульсные БП отличаются конструкционной и принципиальной сложностью, рассматривать схему их работы в рамках этой статьи не целесообразно. и

1. Ток из сети поступает на сетевой фильтр, минимизирующий входящие и исходящие искажения;
2. Преобразователь трансформирует синусоиду переменного тока в импульсный постоянный ток;
3. Инвертор, контролируемый через модуль управления, формирует из импульсного постоянного тока прямоугольные высокочастотные сигналы;
4. Ток поступает на импульсный трансформатор, который подаёт напряжение на различные элементы самого БП, а также на нагрузку;
5. После этого ток поступает на выходной выпрямитель, а затем сглаживается на выходном фильтре.

Такая система обеспечивает не только высокий коэффициент полезного действия, но и малые размеры устройства. Причём чем выше частота импульсов – тем компактнее БП за счёт уменьшения габаритов трансформатора.

Ключевые достоинства импульсных блоков питания:

1. Высокий КПД, составляющий, как правило, около 98%. Небольшие потери создаются их-за переходных процессов, возникающих при переключении ключа. Но они слишком незначительны, чтобы брать их в расчёт;
2. Компактные размеры и малый вес. Это достигается за счёт того, что импульсным БП не требуется массивный трансформатор.

Ключевые недостатки импульсных блоков питания:

1. Конструкционная сложность. Собрать такое устройство в домашних условиях без знаний в области электроники или электротехники практически невозможно;
2. Заметный нагрев при работе. Поэтому высокомощные импульсные БП оснащаются дополнительными системами охлаждения, которые приводят к увеличению размера и массы устройства;
3. Наличие высокочастотных помех. Как следствие, для использования в чувствительной аппаратуре такие блоки питания оснащаются фильтром помех, но и он не даёт 100% защиты от такого «мусорного сигнала»;
4. Мощность нагрузки должна входить в номинальный диапазон. При превышении или понижении её будут наблюдаться изменения выходного напряжения. Как правило, производители предусматривают это явление и устанавливают защиту от подобных нештатных ситуаций.

Компактные размеры и высокое значение КПД помогли импульсным БП распространиться максимально широко. Сегодня они применяются в зарядных устройствах мобильной электроники, компьютерной и бытовой техники, а также в системах электронного балласта осветительных приборов.

Сравнение импульсного и обычного блоков питания

Сравним эти два типа устройств, определив, какие лучше использовать в той или иной ситуации.

Тип блока питания

Обычный (трансформаторный)

Напряжение сначала понижается, а затем выравнивается

Напряжение сначала преобразуется, а затем понижается

Некоторые высокоточные и чувствительные к ВЧ-помехам устройства

Коэффициент полезного действия

Небольшой, особенно с учётом потерь на стабилизаторе

Как правило, крупные

Как правило, малые

Высокочастотные помехи в выходном токе

Требование максимальной и минимальной мощностей нагрузки

При прочих равных предпочтительнее использовать импульсные БП. Они обеспечивают больший КПД, а ещё весят от нескольких десятков граммов. Но в некоторых высокоточных, прецизионных устройствах лучше применять обычные (трансформаторные) модели, поскольку они не засоряют выходной сигнал помехами.

Блок питания импульсный или трансформаторный что лучше

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
Блоки питания

Смотрите также
Трансформаторный (линейный) блок питания
Примеры реальных блоков питания

Введение

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.

Понятие блока питания

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:

• исключение блока питания делает устройство более компактным и лёгким; в настоящее время это очень важно, так как в связи с повсеместной миниатюризацией, размеры устройства могут быть сопоставимы или даже меньше размеров блока питания;
• устройство может иметь аккумуляторное питание (как сотовые телефоны); большую часть времени ему не нужен сетевой блок питания, а нужен он только для эпизодической непродолжительной подзарядки;
• маломощный блок питания имеет малые размеры, сопоставимые с размерами сетевой вилки, и это даёт возможность объединить вилку и блок питания в одной конструкции; в этом случае оказывается не нужен сетевой кабель, который по соображениям безопасности должен иметь толстую и достаточно прочную и жёсткую изоляцию; получается значительная дополнительная экономия по объёму и весу, так как низкое напряжение на выходе сетевого адаптера является безопасным, так что его можно подавать на питаемое устройство через кабель более тонкий и гибкий за счёт облегчённой изоляции;
• исключая из устройства цепи, находящиеся под напряжением сети, мы делаем его более безопасным; ещё большую безопасность придаёт то, что от внешнего блока питания устройство будет получать строго ограниченную мощность, много меньшую той, что может потреблять аварийное устройство непосредственно от сети (это снижает риск перегрева и возгорания);
• пространственно отдаляя блок питания от устройства, снижаем уровень наводок; особенно это важно в случае импульсных блоков питания и чувствительных к наводкам устройств;
• один универсальный внешний блок питания может использоваться с несколькими устройствами (естественно, если они используются не одновременно).

Разумеется, есть и негативные моменты в использовании внешних блоков питания:

• тонкий низковольтный кабель, используемый для подключения адаптера к устройству, больше подвержен механическим повреждениям, чем толстый сетевой, используемый в случае встроенного блока питания;
• при одинаковой передаваемой мощности, меньшее напряжение означает больший ток, протекающий по проводу, и большие потери в нём (это непринципиально для маломощных устройств, важнее то, что падение напряжения на проводах становится более ощутимым);
• чаще всего адаптер является более громоздким, чем просто сетевая вилка и поэтому адаптер с интегрированной вилкой не всегда удобно вставлять в розетку.

Классификация

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, они же непрерывные, они же линейные блоки питания;
• импульсные;
• гибридные.

Трансформаторные (линейные) источники 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».

Импульсные источники 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.

Гибридные источники питания

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.

Выбор между линейным и импульсным источником

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:

1. Маломощные источники (единицы ватт). Из-за большей сложности импульсных источников и необходимости тщательной фильтрации помех на входе и выходе и желательности экранировки, маломощные линейные и импульсные источники становятся сопоставимы по массогабаритным показателям. Либо даже линейные источники могут оказаться в выигрыше (не будем рассматривать однотранзисторные схемы импульсных блоков питания, где исключено всё, что можно и что нельзя, эти устройства несопоставимы с линейными источниками по качеству).
2. Чувствительные приборы. Чувствительная радиоприёмная аппаратура, точные измерительные приборы могут оказаться восприимчивы к шумам и наводкам от импульсных источников. Может оказаться выгоднее использовать линейный источник питания, чем обеспечивать совместимость с импульсным источником.
3. Области применения, в которых требуется исключительно высокая надёжность. Хороший импульсный источник также обладает высокой надёжностью, но линейный всё же имеет превосходство по этому показателю, при условии использования компонентов высокого качества и тщательного изготовления трансформатора. Весьма ценной является способность трансформаторного источника легко переносить импульсные перенапряжения на входе (импульсы высокого напряжения не только не повреждают сам трансформатор, но и за счёт нелинейных свойств трансформатора, они эффективно им подавляются; соответствующий импульс на вторичной обмотке не будет пропорционален входному напряжению, он будет незначительным, благодаря чему оказываются надёжно защищены все подключённые к вторичной обмотке цепи).

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.

Импульсные блоки питания — основные преимущества

В этой статье мы попробуем представить достоинства импульсных блоков питания, так сказать, вообще, в принципе. Это значит, что по определённому набору характеристик, как это будет показано дальше, этот тип вторичного питания имеет ряд несомненных преимуществ. Например, в отношении трансформаторного типа блока питания, отчего он и пользуется заслуженной популярностью. Однако! Это не значит, что импульсный блок питания (ИБП) панацея на все случаи жизни и может во всём заменить альтернативные приборы.

Вначале, о блоках питания вообще. Эти устройства предназначены для преобразования энергии первичных (других) источников питания, чтобы обеспечивать работу различных приборов. Они преобразуют напряжение, ток и другие параметры, которые потребляет данное устройство. Так, они могут стабилизировать, регулировать, управлять и т.д. Сами блоки питания бывают интегрированными и не интегрированными.

Ну, а теперь, собственно, об импульсных блоках питания.

Вкратце, как работает ИБП?

Импульсный блок питания — это инверторная система, т.е. когда постоянный ток преобразуется в переменный. При этом происходит изменение величины частоты или напряжения, либо, и того и другого вместе. Есть ИБП, работающие с гальванической развязкой (бесконтактное управление). Есть варианты где применяются малогабаритные трансформаторы. И это имеет своё объяснение, так как, чем выше частота, тем выше эффективность работы трансформатора, при этом требования к размеру сердечника уменьшаются, а мощность достигается сопоставимая. Стабилизция ИБГ осуществляется за счёт отрицательной обратной связи.

Преимуществ ИБП наберётся немало, поэтому мы их будем нумеровать для чёткости восприятия.

Достоинства импульсных блоков питания.

1. Меньший вес. Также достигается использованием (мы уже упоминали выше) малогабаритных трансформаторов, при той же передаваемой мощности. Использованием конденсаторов меньшей ёмкости, что тоже уменьшает габариты выходного фильтра напряжения. Повышенная частота преобразования этому как раз способствует. Потом, конструктивно его можно выполнить по более простой однополупериодной схеме и при этом не переживать, что увеличатся пульсации выходного напряжения.

2. Более высокий КПД (до 98%). Ответ прост — малые потери. Обусловлено это наличием в схемотехнике высокочастотного элемента вместо сетевого трансформатора, и ключевого элемента вместо стабилизатора. А так как основную часть времени ключевые элементы находятся в стабильном состоянии, т.е. либо включены, либо выключены, то потери, происходящие в основном при переходных процессах, сведены к минимуму.

3. Меньшая цена. И это при сопоставимой передаваемой мощности и надёжности альтернативных устройств. Дешевле стоит силовая часть устройства, за счёт унификации элементной базы, разработке ключевых транзисторов высокой мощности и ещё из-за того, что в трансформаторные БП входят дорогостоящие металлы и в больших объёмах.

4. Широкий диапазон питающего напряжения и частоты. Просто не сопоставимый с линейным трансформатором в той же ценовой категории! На деле это даёт большую универсальность в применении в разных местах, где есть большие отличия по напряжению и частоте в стандартных розетках.

5. Надёжность. Её обеспечивают встроенные цепи защиты от различных «вредных» ситуаций. Это и перегрузки, и короткое замыкание, и различные скачки напряжения. Также если произошла переполюсовка выходных цепей. Потом, импульсные БП меньше греются, что уменьшает вероятность перегревания прибора.

Сказали «за», нельзя не сказать и «против». А то как – то идеально получается.

Где ИБП не так сильны?

В частности, они «плохо переносят» понижение мощности нагрузки. Могут просто не запуститься. Или, параметры выходных напряжений могут выходить за допустимые нормы. Далее, и это хорошо известный факт, импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех. Хотя, считается, что в хорошо проработанных схемах, этот недостаток существенно нивелируется. ( Но, думается, что в приборах, где принципиально важно отсутствие помех, будет использована альтернатива). И, наконец, если в работе прибора от сети не предусмотрена гальваническая развязка, то это затрудняет последующий его ремонт.

Теперь, если вы решили купить импульсный блок питания, вы знаете, с чем будете иметь дело.