Общие сведения об источниках питания
|
Наиболее простым и до сих пор крайне широко применяющимся методом управления является поглощение избыточной мощности в управляющем устройстве, то есть рассеивание ее в виде тепла. Источники питания, действующие по такому принципу, называются линейными.
На рисунке представлена схема линейного стабилизатора напряжения. Напряжение бытовой сети 220В понижается трансформатором T1 до необходимого уровня, после чего выпрямляется диодным мостом D1. Выпрямленное напряжение должно быть в любых условиях выше выходного напряжения стабилизатора, т.к. необходима избыточная мощность; это следует из самого принципа работы линейного стабилизатора. В данном случае эта мощность выделяется в виде тепла на транзисторе Q1, который управляется некоторой схемой U 1 так, чтобы выходное напряжение U out находилось на требуемом уровне. Такая схема имеет два существенных недостатка:
Возникающие в импульсном стабилизаторе потери следствие побочных явлений, и они намного меньше, чем выделяемая на устройстве управления линейного стабилизатора избыточная мощность. Если сравнивать цифры, то КПД типичного линейного стабилизатора составляет 25...50%, в то время как КПД импульсного может превышать 90%.
Кроме того, при таком исполнении импульсный стабилизатор значительно меньше зависит от величины и частоты входного напряжения – ведь чувствителен к этому в первую очередь понижающий трансформатор, а при включении ключа до него можно управлять напряжением и частотой его работы так, как требуется потребителю. Соответственно, импульсные стабилизаторы абсолютно безразличны к тому, 50Гц или же 60Гц в электрической сети, а, также, как правило, без особых проблем переносят уход напряжения питающей сети вплоть до 20% от номинала. По этой же причине импульсные источники достаточно хорошо подавляют и пришедшие по сети помехи, в то время как у линейных они зачастую проникают в нагрузку. Помимо трансформатора, использование высокой частоты позволяет сильно (в десятки раз) уменьшить емкость и, соответственно, габариты сглаживающих конденсаторов (C1 и C2 на вышеприведенной схеме). Однако существуют недостатки:
Очевидно, что работающий на частоте в несколько десятков килогерц преобразователь является источником помех не только в собственную нагрузку, но и в питающую сеть, а также просто в радиоэфир. Поэтому, при проектировании импульсных источников питания необходимо уделять внимание как фильтру на его входе (вопреки распространенному мнению, он не столько защищает БП от внешних помех, сколько защищает другие устройства от помех, создаваемых этим блоком питания), так и электромагнитной экранировке самого блока питания, что в случае мощных блоков означает использование стального корпуса. Линейные БП, хоть и более чувствительны к внешним помехам, но сами никаких помех не создают, а потому не требуют никаких особых мер по защите окружающего оборудования. Кроме того, импульсные источники питания требуют существенно более сложной и дорогой электроники, нежели их линейные. Ценовое преимущество импульсных блоков очевидно для достаточно мощных изделий, где цена в первую очередь определяется стоимостью силового трансформатора и необходимого теплоотвода, а потому линейные источники с их большими габаритами и низким КПД оказываются в заведомом проигрыше; однако по мере удешевления компонентов импульсных блоков питания они все больше и больше теснят и маломощные линейные источники – так, уже не являются редкостью импульсные БП мощностью всего лишь 10...15Вт, хотя еще несколько лет назад на таких мощностях преимущества линейных источников были очевидны. Если же говорить о задачах, в которых определяющим параметром являются габариты, то тут импульсные источники питания находятся вне конкуренции – при всех конструкторских ухищрениях, получить от линейного источника ту же плотность мощности, что и от импульсного, просто невозможно
|
Для преодоления недостатков стабилизаторов питания с линейной схемой были разработаны импульсные стабилизаторы напряжения, в которых управление мощностью происходит без рассеивания мощности в самом устройстве управления. В самом простейшем виде такое устройство можно представить как обычный ключ (роль которого может играть и транзистор), включенный последовательно с нагрузкой. В такой схеме средний протекающий через нагрузку ток зависит не только от сопротивления нагрузки и напряжения питания, но и от частоты переключению ключа – чем она больше, тем выше ток. Таким образом, меняя частоту переключения, можно регулировать средний ток через нагрузку, причем в идеале на самом ключе мощность не будет рассеиваться вообще – так как он пребывает только в двух состояниях: либо полностью открытом, либо полностью закрытым. В первом случае падение напряжения на нем равно нулю, во втором случае – нулю равен протекающий через него ток, а потом выделяемая на нем мощность, равная произведению тока на напряжение, также всегда равна нулю. В реальности все иначе, если в качестве ключа используются транзисторы, то: 
Кроме того, если в импульсном стабилизаторе поставить ключ до понижающего трансформатора, то имеется возможность определять частоту работы трансформатора вне зависимости от частоты питающей сети. А так как габариты трансформатора обратно пропорциональны его рабочей частоте, то это позволяет использовать в импульсных стабилизаторах понижающие трансформаторы минимальных размеров по сравнению с их линейными аналогами, что дает колоссальный выигрыш в размерах готового устройства. Так, если посчитать отношение выходной мощности источника к его объему, то для импульсного источника питания, работающего на частоте 50 кГц, оно составит примерно 4-5 Вт/куб. дюйм, в то время как для линейного стабилизатора этот показатель составляет всего лишь 0,3...1 Вт/куб. дюйм. Причем, с повышением частоты плотность мощности импульсного источника питания может доходить до 75 Вт/куб. дюйм, что совершенно недостижимо для линейных источников даже при водяном охлаждении. 