Приведенные выше соображения приводят к тому, что на частоте 50 Гц трансформатор большой мощности (несколько десятков ватт и более) может быть успешно реализован только как устройство больших размеров и веса (увеличение S и сечения провода за счет уменьшения n).
Блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение
Электронные источники питания занимают чрезвычайно важное место в жизни современного человека. Без них не обходится ни одно устройство, нуждающееся в регулярной зарядке или постоянно подключенное к электросети. Для того чтобы правильно использовать эти устройства, необходимо понимать их устройство и ознакомиться с их основными техническими характеристиками.
Каждый отдельный продукт требует «своего» блока питания, так как рассчитан на определенное напряжение и потребляемую мощность. Вышеупомянутая характеристика способа работы современных потребителей является основной причиной большого разнообразия продуктов этой категории на рынке.
Характеристики БП
Каждому конкретному источнику питания присваиваются определенные параметры, определяющие специфику его работы в сочетании с нагрузкой.
Наиболее важными из этих параметров являются:
- Тип выходного напряжения.
- Тип выходного напряжения.
- Токопроводящая способность нагрузки.
Каждая из этих величин должна рассматриваться отдельно.
Каждая из этих характеристик должна рассматриваться отдельно.
Подавляющее большинство электронных устройств работает на постоянном токе. Большинство распространенных источников питания обеспечивают постоянное напряжение с определенным значением.
К этой категории источников питания относятся следующие продукты:
-
Источники питания для приборов и гаджетов. Источники питания рассчитаны на напряжение 5, 12, 24, 36 и 48 В.
- Источники питания, встроенные в аудиосистемы/усилители и т.д.
Доступное рабочее напряжение на выходах этих специализированных устройств сильно варьируется — от 3 до 48 и более вольт. Например, для зарядки планшетов и смартфонов необходим источник питания с выходным напряжением 5 В, а для ноутбука или нетбука — 16 или 19 В.
В дополнение к приведенным выше примерам, существуют также изделия, выдающие переменное напряжение. Правильнее было бы назвать их преобразователями «LATP», в которых значение трансформатора может быть увеличено или уменьшено. Источники питания, подающие переменное напряжение потребителю, также включают высокоскоростные импульсные преобразователи, работающие по принципу обратного преобразования. Они используются в ситуациях, когда при наличии батарей или мощных аккумуляторов требуется переменное напряжение с определенными параметрами.
Выходная или рабочая мощность (ток нагрузки)
Помимо рабочего напряжения, источники питания должны подавать в нагрузку определенный ток. Для данного выходного напряжения это достигается показателем, называемым «рабочей мощностью» источника питания. Этот параметр определяется как произведение выходного напряжения устройства и тока подключенной к нему нагрузки (P=IU).
Из приведенной выше формулы следует, что более мощный источник питания должен отдавать в нагрузку больший ток при одинаковом выходном напряжении.
Максимальное значение этого номинала, на которое рассчитан конкретный источник питания, обычно указывается его маркировкой на этикетке изделия. Профессионалы и непрофессионалы, занимающиеся ремонтом компьютеров, знают, что номинальная мощность встроенного блока питания обозначается крупными символами на этикетке, которые невозможно спутать ни с чем другим. Компьютерные геймеры, которым требуется много энергии, при покупке компьютера выбирают блок питания с наибольшей мощностью.
Типы источников питания
В зависимости от способа преобразования входного напряжения известные примеры источников питания делятся на трансформаторные источники питания и импульсные источники питания.
Трансформаторный источник питания
Трансформаторные источники питания сегодня встречаются очень редко; они используются только в старом электронном оборудовании. К их недостаткам относятся габариты, большой вес и низкая эффективность (из-за высоких тепловых потерь). Единственным преимуществом является простота и надежность схемы.
Один из вариантов показан ниже:
Например, для зарядки смартфонов нам нужен источник питания с постоянным напряжением 5 вольт, а для освещения автомобильной лампы — источник питания с напряжением 12 вольт.
Виды блоков питания и их различия.
Существует два основных типа источников питания: Трансформаторные источники питания и импульсные источники питания. Далее мы обсудим их устройство и различия, а также их преимущества и недостатки.
Этот тип источника питания является классическим и самым простым. Ниже приведена схема источника питания этого типа с биполярным выпрямителем:
Самым важным компонентом источника питания этого типа является понижающий трансформатор (можно также использовать автотрансформатор). Первичный байпас этого элемента рассчитан только на входящее сетевое напряжение. Другим важным компонентом этого типа источника питания является выпрямитель. Это преобразует переменное напряжение в однонаправленное и импульсное постоянное напряжение. В большинстве случаев используется однополупериодный выпрямитель или двойной однополупериодный выпрямитель. Первый состоит из одного диода, второй — из четырех диодов, образующих диодный мост. В некоторых случаях могут использоваться и другие схемы, например, в трехфазных выпрямителях или выпрямителях двойного напряжения. Последней важной частью силового трансформатора является фильтр, который сглаживает пульсации, генерируемые выпрямителем. Эта часть обычно представлена конденсатором с большой емкостью.
Размеры трансформатора. Следующая формула выведена из основных законов электротехники:
(1/n)~f*S*B
В этой формуле n — число витков на 1 вольт, f — частота переменного тока, S — площадь поперечного сечения магнитной цепи, B — индуктивность магнитного поля в магнитной цепи.
Формула описывает не мгновенное значение, а амплитуду B!
На практике величина индукции магнитного поля (B) ограничена гистерезисом в сердечнике. Это приводит к перегреву трансформатора и потерям намагниченности.
Если частота переменного тока (f) равна 50 Гц, в конструкции трансформатора переменными остаются только S и n. На практике используется такой эвристический метод: n (со значением между 55 и 70) / S в см^2.
Увеличение поперечного сечения магнитопровода (S) увеличивает размеры и вес трансформатора. Уменьшение значения S увеличивает значение n, что приводит к уменьшению сечения проводника для трансформаторов малого размера (иначе обмотка не поместится в сердечнике).
При увеличении значения n и уменьшении площади поперечного сечения эффективное сопротивление обмотки значительно возрастает. Для трансформаторов малой мощности этим можно пренебречь, так как ток, протекающий через обмотку, невелик. Однако с увеличением мощности возрастает ток, протекающий через обмотку, что в сочетании с высоким сопротивлением обмотки приводит к значительной потере тепловой мощности.
Все это приводит к тому, что типичный трансформатор 50 Гц большой мощности (который требуется для питания компьютера) может быть выполнен только в виде устройства с большим весом и габаритами.
Современные источники питания используют другой подход — увеличение f-значения, что достигается за счет использования импульсных источников питания. Эти источники питания намного легче и намного меньше, чем трансформаторные источники питания. Кроме того, импульсные источники питания не так требовательны к входному напряжению и частоте.
Преимущества трансформаторных источников питания
- Простота продукта,
- Надежная конструкция,
- Наличие компонентов,
- Отсутствие радиопомех.
Недостатки трансформаторов БП
- Большой вес и габариты, которые увеличиваются с ростом мощности,
- Высокая металлоемкость,
- Необходимо найти компромисс между более низким КПД и стабильностью выходного напряжения.
Импульсный БП и его устройство.
Ниже приведено схематическое изображение импульсного источника питания с одним подключением (это самое простое представление):
На самом деле импульсные источники питания представляют собой инверторную систему. В этом источнике питания входящий ток сначала выпрямляется (т.е. формируется постоянный ток), а затем преобразуется в импульсы квадратной волны с определенной частотой и рабочим циклом. Затем эти импульсы квадратной волны подаются на трансформатор (если источник питания обеспечивает гальваническую развязку) или непосредственно на выходной ФНЧ (если гальваническая развязка отсутствует). Поскольку КПД трансформаторов увеличивается с ростом частоты, а требования к сечению сердечника значительно снижаются в импульсных источниках питания, можно использовать гораздо меньшие трансформаторы, чем в классических решениях.
В большинстве случаев сердечник импульсного трансформатора может быть изготовлен из ферромагнитных материалов, в отличие от низкочастотных трансформаторов, в которых используется электротехническая сталь.
Стабилизация напряжения в импульсных источниках питания достигается за счет отрицательной обратной связи. Это позволяет поддерживать выходное напряжение относительно постоянным. Это может быть разработано различными способами. Если источник питания гальванически развязан, это обычно делается с помощью одной из выходных обмоток трансформатора или оптопары. Рабочий цикл на выходе ШИМ-контроллера зависит от сигнала обратной связи, который, в свою очередь, зависит от выходного напряжения. Если питание не прерывается, то используется обычный делитель напряжения с импедансом. Это позволяет импульсным источникам питания поддерживать постоянное выходное напряжение.
