14 C°
Комплексные системы безопасности

Трансформаторные и импульсные источники питания

6202
ИП 212-79 «Аврора ДА»
Производитель:
Аругс-Спект
Страна:
Россия
716

Достоинства и недостатки. Трансформаторный БП состоит из понижающего
трансформатора или автотрансформатора. Импульсные блоки питания являются
инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное
напряжение сначала выпрямляется.

Трансформаторные БП

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем
случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора,
у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем
устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в
постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев
выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или
четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный
выпрямитель).

Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с
удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр,
сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто
конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех,
всплесков, защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока

Габариты трансформатора

Существует формула, несложно выводимая из базовых законов
электротехники (и даже уравнений Максвелла):

( 1 / n ) ~ f * S * B

где n — число витков на 1 вольт (в левой части формулы стоит ЭДС одного
витка, которая есть по уравнению Максвелла производная от магнитного
потока, поток есть нечто в виде sin ( f * t ), в производной f
выносится за скобку), f — частота переменного напряжения, S — площадь
сечения магнитопровода, B — индукция магнитного поля в нем. Формула
описывает амплитуду B, а не мгновенное значение.

Величина B на практике ограничена сверху возникновением гистерезиса в
сердечнике, что приводит к потерям на перемагничивание и перегреву
трансформатора.

Если принять, что f есть частота сети (50 Гц), то единственные два
параметра, доступные для выбора при разработке трансформатора, есть S и
n. На практике принята эвристика n = ( от 55 до 70 ) / S в см2.

Увеличение S означает повышение габаритов и веса трансформатора. Если
же идти по пути снижения S, то это означает повышение n, что в
трансформаторе небольшого размера означает снижение сечения провода
(иначе обмотка не поместится на сердечнике).

Увеличение n и снижение сечения означает сильное увеличение активного
сопротивления обмотки. В маломощных трансформаторах, где ток через
обмотку невелик, этим можно пренебречь, но с повышением мощности ток
через обмотку растет и, при высоком сопротивлении обмотки, рассеивает
на ней значительную тепловую мощность, что недопустимо.

Перечисленные выше соображения приводят к тому, что на частоте 50 Гц
трансформатор большой (от десятков ватт) мощности может быть успешно
реализован только как устройство большого габарита и веса (по пути
повышения S и сечения провода со снижением n).

Потому в современных БП идут по другому пути, а именно по пути
повышения f, т.е. переходу на импульсные блоки питания. Таковые блоки
питания в разы легче (причем основная часть веса приходится на
экранирующую клетку) и значительно меньше габаритами, чем классические.
Кроме того, они не требовательны к входному напряжению и частоте.

Достоинства трансформаторных БП

  • Простота конструкции
  • Надёжность
  • Доступность элементной базы
  • Отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных,
    создающих помехи за счет гармонических составляющих)
  • Недостатки трансформаторных БП
  • Большой вес и габариты, особенно при большой мощности
  • Металлоёмкость
  • Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного
    напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется
    стабилизатор, вносящий дополнительные потери.

Импульсные БП

Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных
блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется.
Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы
повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на
трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от
питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без
гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться
малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом
частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются
требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи
эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может
быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников
низкочастотных трансформаторов, для которых используется
электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается
посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет
поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне
зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки.
Обратную связь можно организовать разными способами. В случае
импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети
наиболее распространенными способами являются использование связи
посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи
оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему
от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе
ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило,
используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом,
блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Достоинства импульсных БП

  • Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами
    соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими
    основными достоинствами:
  • меньшим весом за счет того, что с повышением частоты можно
    использовать трансформаторы меньших размеров при той же
    передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в
    основном из мощных тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и
    мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме;
  • значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98%) за счет того, что
    основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными
    процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку
    основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из
    устойчивых состояний (т.е. либо включен, либо выключен) потери
    энергии минимальны;
  • меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной
    элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой
    мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую
    стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой
    мощности, и возможность использования менее мощных силовых
    элементов, поскольку режим их работы ключевой;
  • сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью. (Блоки питания
    вычислительной техники, оргтехники, бытовой техники почти
    исключительно импульсные).
  • широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для
    сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность
    использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой
    электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно
    отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
  • наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от
    различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания
    и от отсутствия нагрузки на выходе

Недостатки импульсных БП

  • Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети,
    что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП;
  • Все без исключения импульсные блоки питания являются источником
    высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их
    работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры
    помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи
    полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных
    БП для некоторых видов аппаратуры.
  • В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных
    трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора
    мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не
    актуален.