Все о блоках питания. Часть 1

Не секрет, что от правильного выбора блока питания (далее БП), его конструкции и качества сборки зависит работа устройства, на которое он нагружен. Здесь я постараюсь рассказать об основных моментах выбора, расчета, конструирования и применения блоков питания.

1. Выбор блока питания

Первым делом следует четко уяснить, что именно будет подключено к БП. Главным образом нас интересует ток нагрузки. Это будет основным пунктом ТЗ. По этому параметру будет подобрана схема и элементная база. Приведу примеры нагрузок и их средние потребляемые токи

1. Световые эффекты на светодиодах (20-1000мА)

2. Световые эффекты на миниатюрных лампах накаливания (200мА-2А)

3. Световые эффекты на мощных лампах (до 1000А)

4. Миниатюрные полупроводниковые радиоприемники (100-500мА)

5. Портативная аудиотехника (100мА-1А)

6. Автомобильные магнитолы (до 20А)

7. Автомобильные УМЗЧ (по линии 12В до 200А)

8. Стационарные полупроводниковые УМЗЧ (при выходной мощности не выше 1кВт до 40А)

9. Ламповые УМЗЧ (10мА-1А – анод, 200мА-8А – накал)

10. Ламповые КВ трансиверы [выходной каскад в классе С характеризуется наибольшим КПД] (при мощности передатчика до 1кВт, до 5А – анод, до 10А – накал)

11. Полупроводниковые КВ трансиверы, Си-Би (при мощности передатчика до 100Вт, 1 – 5А)

12. Ламповые УКВ радиостанции (при мощности передатчика до 50Вт, до 1А – анод, до 3А - накал)

13. Полупроводниковые УКВ радиостанции (до 5А)

14. Полупроводниковые телевизоры (до 5А)

15. Вычислительная техника, оргтехника, сетевые устройства [концентраторы LAN, точки доступа, модемы, роутеры] (500мА - 30А)

16. Зарядные устройства для АКБ (до 10А)

17. Управляющие блоки бытовой техники (до 1А)

Следует отметить, что во многих устройствах потребляемый ток в процессе работы может значительно колебаться. Это УМЗЧ, трансиверы (особенно в телеграфном режиме), мощные СДУ. Поэтому при выборе БП следует ориентироваться ни на средний потребляемый ток и уж тем более ни на ток в режиме молчания, а на пиковую потребляемую мощность. Для питания аналоговой электроники с потребляемой мощностью до 500Вт, я рекомендую линейные блоки питания. При чем многоканальные (с несколькими выходными напряжениями). Как правило, цепи с большим потребляемым током позволяют обойтись без стабилизации напряжения. Так же следует обратить внимание на развязку напряжений. Это, прежде всего, относится к аудиотехнике и аппаратуре радиосвязи. В ряде случаев может потребоваться даже гальваническая развязка между цепями (например при конструировании ламповых УМЗЧ класса Hi-End гальваническая развязка анодных цепей позволит избежать влияния выходного каскада на усилитель напряжения. В том числе перекроет паразитные ОС по питанию). Как это делается будет рассказано ниже. Для более мощной аналоговой техники, а так же любой цифровой можно рекомендовать импульсные БП, ибо тепловой режим и массогабаритные характеристики линейных БП такой мощности оставляют желать лучшего. Вообще мощные узлы аппаратуры не особенно взыскательны к питанию, за то от качества питания во многом зависит работа помехонеустойчивых слаботочных узлов. Итак, рассмотрим кормушку изнутри.

2. Правила безопасности

Не будем забывать, что БП это самый высоковольтный узел в любом устройстве (за исключением разве что телевизора). При чем опасность представляет не только промышленная электросеть (220В). Напряжение в анодных цепях ламповой аппаратуры может достигать десятков и даже сотен (в рентгеновских установках) киловольт (тысяч вольт). Поэтому все высоковольтные участки (включая общий провод) должны быть изолированы от корпуса. Это хорошо знает тот, кто поставив ногу на системный блок трогал батарею. Электрический ток может быть опасен не только для человека и животных, но и для самого устройства. Имеются ввиду пробои и короткие замыкания. Эти явления не только выводят из строя радиокомпоненты, но и весьма пожароопасны. Мне попадались некоторые изолирующие элементы конструкций, которые в следствии подачи высокого напряжения были пробиты и выгорели до угля при чем выгорели не полностью, а каналом. Уголь проводит ток и создает таким образом короткое замыкание (далее КЗ) на корпус. При чем внешне это не видно. Поэтому между двумя проводами, припаянными к плате, должно быть расстояние из расчета примерно 2мм на вольт. Если речь идет о смертельно опасных напряжениях, то в корпусе должны быть предусмотрены микропереключатели, которые автоматически обесточивают прибор при удалении стенки с опасного участка конструкции. Элементы конструкции, которые в процессе работы сильно нагреваются (радиаторы, мощные полупроводниковые и электровакуумные приборы, резисторы мощностью свыше 2Вт) должны быть вынесены с платы (наилучший вариант) или хотя бы приподняты над ней. Так же не допускается касание корпусов разогревающихся радиоэлементов, за исключением тех случаев, когда второй элемент является датчиком температуры первого. Такие элементы не разрешается заливать эпоксидной смолой и другими компаундами. Более того, должен быть обеспечен приток воздуха к участкам с большой рассеиваемой мощностью, а при необходимости и принудительное охлаждение (вплоть до испарительного). Так. Страху нагнал, теперь о работе.

3. Законы Ома и Кирхгофа были и будут основой разработки любого электронного устройства.

3.1. Закон Ома для участка цепи

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к участку и обратно пропорциональна сопротивлению участка. На этом принципе основана работа всех ограничительных, гасящих и балластных резисторов.

Эта формула хороша тем, что под "U" можно подразумевать как напряжение на нагрузке, так и напряжение на участке цепи, последовательно соединенном с нагрузкой. Например у нас есть лампочка на 12В/20Вт и источник 17В, к которому нам нужно подключить эту лампочку. Нам нужен резистор, который понизит 17В до 12.

Рис.1

Итак, мы знаем что при последовательном соединении элементов напряжения на них могут отличаться, но ток всегда одинаковый на любом участке цепи. Вычислим ток, потребляемый лампочкой:

Значит, через резистор протекает такой же ток. В качестве напряжения берем падение напряжения на гасящем резисторе, ведь это действительно то самое напряжение, которое действует на этом резисторе ()

Из приведенного примера совершенно очевидно, что . Причем это относится не только к резисторам, но и, например, к динамикам, если мы вычисляем какое напряжение нужно подвести к динамику с заданной мощностью и сопротивлением, чтобы он развил эту мощность.

3.2. Закон Ома для полной цепи

Прежде, чем мы перейдем к нему, нужно четко уяснить физический смысл внутреннего и выходного сопротивлений. Предположим, у нас есть некоторый источник ЭДС. Так вот, внутреннее (выходное) сопротивление это мнимый резистор, включенный последовательно с ним.

Рис.2

Естественно, фактически в источниках тока таких резисторов нет, но у генераторов есть сопротивление обмоток, у розеток – сопротивление проводки, у АКБ – сопротивление электролита и электродов и т.д. Это сопротивление при подключении нагрузки ведет себя именно как последовательно включенный резистор.

где: ε – ЭДС
   I – сила тока
   R – сопротивление нагрузки
   r – внутреннее сопротивление источника

Из формулы видно, что с возрастанием внутреннего сопротивления уменьшается мощность вследствие просадки во внутреннем сопротивлении. Это видно и из закона Ома для участка цепи.

3.3 Правило Кирхгофа нас будет интересовать только одно: сумма токов, входящих в цепь равна току (сумме токов), выходящему из нее. Т.е. какой бы не была нагрузка и из скольки бы ветвей она не состояла, сила тока в одном из питающих проводов будет равна силе тока во втором проводе. Собственно, этот вывод вполне очевиден, если мы говорим о замкнутой цепи.

С законами протекания тока вроде все ясно. Посмотрим как это выглядит в реальном «железе».

4. Начинка

Все БП во многом схожи по схеме и элементной базе. Это вызвано тем, что по большому счету они выполняют одни и те же функции: изменение напряжения (всегда), выпрямление (чаще всего), стабилизация (часто), защита (часто). Теперь рассмотрим способы реализации этих функций.

4.1. Изменение напряжения чаще всего реализуется при помощи различных трансформаторов. Этот вариант наиболее надежен и безопасен. Существуют так же безтрансформаторные БП. В них для понижения напряжения используется емкостное сопротивление конденсатора, включенного последовательно между источником тока и нагрузкой. Выходное напряжение таких БП полностью зависит от тока нагрузки и ее наличия. Даже при кратковременном отключении нагрузки такие БП выходят из строя. Кроме того, они могут только понижать напряжение. Поэтому я не рекомендую такие БП для питания РЭА. Итак, остановимся на трансформаторах. В линейных БП используются трансформаторы на 50Гц (частота промышленной сети). Трансформатор состоит из сердечника, первичной обмотки и нескольких вторичных обмоток. Переменный ток, поступая на первичную обмотку создает в сердечнике магнитный поток. Этот поток, как магнит, наводит ЭДС во вторичных обмотках. Напряжение на вторичных обмотках определяется количеством витков. Отношение количества витков (напряжения) вторичной обмотки к количеству витков (напряжению) первичной обмотки называется коэффициентом трансформации (η). Если η>1 трансформатор называют повышающим, в противном случае – понижающим. Есть трансформаторы у которых η=1. Такие трансформаторы не меняют напряжение и служат только для гальванической развязки цепей (цепи считаются гальванически развязанными, если у них нет непосредственного общего электрического контакта. Хотя токи, протекающие через них, могут действовать друг на друга. Например «Blue Tooth» или лампочка и поднесенная к ней солнечная батарея или ротор и статор электродвигателя или неоновая лампа, поднесенная к антенне передатчика). Поэтому использовать их в БП нет смысла. Импульсные трансформаторы работают по такому же принципу с той лишь разницей, что на них не подается напряжение непосредственно из розетки. Сначала оно преобразуется в импульсы более высокой частоты (обычно 15-20кГц) и уже эти импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Частота следования этих импульсов называется частотой преобразования импульсного БП. С возрастанием частоты увеличивается индуктивное сопротивление катушки, поэтому обмотки импульсных трансформаторов содержат меньшее количество витков по сравнению с линейными. Это делает их более компактными и легкими. Однако импульсные БП характеризуются бОльшим уровнем помех, худшим тепловым режимом и схемотехнически более сложны, следовательно менее надежны.

4.2. Выпрямление  подразумевает преобразование переменного (импульсного) тока в постоянный. Этот процесс заключается в разложении положительных и отрицательных полуволн на соответствующие полюса. Есть достаточно много схем, позволяющих это сделать. Рассмотрим те, которые наиболее часто используются.

4.2.1. Четвертьмост

Рис.3

Самая простая схема однополупериодного выпрямителя. Работает следующим образом. Положительная полуволна проходит через диод и заряжает С1. Отрицательная полуволна блокируется диодом и цепь оказывается как бы оборванной. В этом случае нагрузка питается за счет разрядки конденсатора. Очевидно, что для работы на 50Гц емкость С1 должна быть сравнительно велика, чтобы обеспечивать низкий уровень пульсаций. Поэтому схема применяется в основном в импульсных БП ввиду более высокой рабочей частоты.

4.2.2 Полумост (удвоитель Латура-Делона-Гренашера)

Рис.4

Принцип работы похож на четвертьмост, только здесь они соединены как бы последовательно. Положительная полуволна проходит через VD1 и заряжает С1. На отрицательной полуволне VD1 закрывается и С1 начинает разряжаться, а отрицательная полуволна проходит через VD2. Таким образом между катодом VD1 и анодом VD2 появляется напряжение, в 2 раза превосходящее напряжение вторичной обмотки трансформатора (рис.4а). Этот принцип можно использовать для построения расщепленного БП. Так называются БП, выдающие 2 одинаковых по модулю, но противоположных по знаку напряжения (рис.4б). Однако не следует забывать, что это 2 соединенных последовательно четвертьмоста и емкости конденсаторов должны быть достаточно велики (из расчета, как минимум, 1000мкФ на 1А потребляемого тока).

4.2.3. Полный мост

Самая распространенная схема выпрямителя имеет наилучшие нагрузочные характеристики при минимальном уровне пульсаций и может применяться как в однополярных (рис.5а), так и в расщепленных БП (рис.5б).

Рис.5

На рис.5в,г показана работа мостового выпрямителя.

Как уже говорилось, различные схемы выпрямителей характеризуют разные значения коэффициента пульсаций. Точный расчет выпрямителя содержит громоздкие вычисления и на практике редко бывает необходим, поэтому ограничимся ориентировочным расчетом, который можно выполнить по таблице

Схема	U2	I2	Uобр	Iпр.макс	q0, %
Четвертьмост	0,75U0	2I0	3U0	7I0
Полумост	0,38U0	2,8I0	1,5U0	7I0
Мост	0,75U0	1,41I0	1,5U0	3,5I0

где: U₂ – напряжение вторичной обмотки
   I₂ – предельно допустимый ток вторичной обмотки
   U_обр – Предельно допустимое обратное напряжение диодов (кенотронов, тиристоров, газотронов, игнитронов)
   I_{пр.макс} – Предельно допустимый прямой ток диодов (кенотронов, тиристоров, газотронов, игнитронов)
   q₀ – коэффициент пульсаций на выходе
   U₀ – Выводное напряжение выпрямителя
   I₀ – максимальный ток нагрузки

Емкость сглаживающего конденсатора можно вычислить по формуле

где: q – коэффициент пульсаций
   m – фазность
   f – частота пульсаций
   R_н – сопротивление нагрузки ()
   R_ф – сопротивление резистора фильтра (это формула для резистивно-емкостных фильтров, но в качестве резистора можно взять выходное сопротивление выпрямителя [внутреннее сопротивление трансформатора+импеданс вентилей])

4.3. Фильтрация

Пульсации вносят помехи в работу аппарата, который питается от БП. Кроме того, они делают невозможной работу стабилизаторов ввиду того, что в интервалах между полуволнами (абсолютная синусоида) напряжение падает практически до нуля. Рассмотрим некоторые виды сглаживающих фильтров.

4.3.1. Пассивные фильтры могут быть резистивно-емкостными индуктивно-емкостными и комбинированными.

Рис.6

Резистивно-емкостные фильтры (рис.6) характеризуются сравнительно большим падением напряжения. Это связано с применением в них резистора. Поэтому для работы с токами более 500мА такие фильтры не подходят ввиду больших потерь и рассеиваемой мощности. Резистор рассчитывается следующим образом

где: U_вып – выходное напряжение выпрямителя
   U_п – напряжение питания нагрузки
   I_н – ток нагрузки

Рис.7

Индуктивно-емкостные фильтры характеризуются сравнительно высокой сглаживающей способностью, но уступают другим по массогабаритным параметрам. Основная идея индуктивно – емкостного фильтра в соотношении реактивных сопротивлений его компонентов , т.е. фильтр должен обладать хорошей добротностью. Сам фильтр рассчитывается по следующей формуле

где: q – коэффициент сглаживания
m – фазность
f – частота
 - индуктивность дросселя
 – емкость конденсатора.

В любительских условиях вместо дросселя можно использовать первичную обмотку трансформатора (ни того, от которого все питается), а вторичную замкнуть.

4.3.2. Активные фильтры применяются в тех случаях, когда пассивные фильтры не годятся по массогабаритным или температурным параметрам. Дело в том, что, как уже говорилось, чем больше ток нагрузки, тем больше емкость сглаживающих конденсаторов. На практике это вытекает в необходимость применения громоздких электролитических конденсаторов. В активном фильтре используется транзистор в схеме эмиттерного повторителя (каскад с общим коллектором), поэтому сигнал на эмиттере практически повторяет сигнал на базе (рис.8)

Рис.8

Цепь R1C1 рассчитывается как резистивно – емкостной фильтр, только в качестве потребляемого тока берется ток в цепи базы

Однако, как видно из формулы, режим фильтра (в том числе и коэффициент сглаживания) будет зависеть от потребляемого тока, поэтому его лучше зафиксировать (рис.9)

Рис.9

Схема работает при условии, что , при чем выходное напряжение будет составлять примерно 0,98U_б в следствии просадки напряжения в повторителе. За сопротивление нагрузки принимаем R2.

4.3.3 Помехозащитные фильтры

Надо сказать, что радиопомехи могут проникать не только из сети в прибор, но и из прибора в сеть. Поэтому оба направления следует защищать от помех. Особенно это касается импульсных БП. Как правило, это сводится к подключению конденсаторов небольшой емкости (0,01 – 1,0мкФ) параллельно цепи, как это показано на рис.10.

Рис.10

Как и в случае со сглаживающими фильтрами, помехозащитные фильтры работают при условии, что емкостное сопротивление конденсаторов на частоте возникновения помехи много меньше сопротивления нагрузки.

Возможно, что помеха возникает ни от спонтанного перепада тока в сети или прибора, а от постоянной «вибрации». Это относится, например, к импульсным БП или передатчикам в телеграфном режиме. В этом случае может потребоваться еще и индукционная развязка (рис.11).

Рис.11

Однако конденсаторы должны быть подобраны так, чтобы не возникал резонанс в обмотках дросселей и трансформаторов.

4.4. Стабилизация

Существует целый ряд устройств, блоков и узлов, которые могут работать только от стабилизированных источников тока. Например генераторы, в которых от напряжения зависит скорость зарядки/разрядки конденсаторов в цепях ОС и, следовательно, частота и форма генерируемого сигнала. Поэтому в БП чаще всего стабилизируют именно выходное напряжение, в то время как ток стабилизируют чаще всего в зарядных устройствах и ИБП, да и то не всегда. Существует достаточно много способов стабилизации напряжения, но на практике чаще всего встречаются параметрические стабилизаторы в том или ином виде. Рассмотрим их работу.

4.4.1. Простейший стабилизатор состоит из стабилитрона и ограничительного резистора (рис.12).

Рис.12

Принцип работы такого стабилизатора основан на изменении падения напряжения в ограничительном резисторе в зависимости от тока. При чем вся схема работает при условии, что  
Действительно, если ток, протекающий через нагрузку будет превосходить ток стабилизации, то стабилитрон не сможет обеспечить должный перепад по правилу параллельного соединения

Как видно из формулы, наибольшее влияние на общее сопротивление цепи оказывает наименьшее сопротивление. Дело в том, что с увеличением обратного напряжения растет его обратный ток, поэтому он и удерживает напряжение в определенных рамках (закон Ома для участка цепи).

4.4.2. Эмиттерный повторитель

Тогда что делать, если потребляемый ток должен превосходить ток стабилизации стабилитрона?

Рис.13

На помощь приходит наш старый добрый эмиттерный повторитель прирожденный усилитель по току. В конце концов что такое падение напряжения на 2% по сравнению с приращением тока на 1000%!? Внедряем (рис.13)! Ток вырос примерно в h₂₁ раз по сравнению со стабилизатором на стабилитроне. На эмиттере буде примерно 0,98U_Б

4.4.3. Наращивание напряжения стабилизации

Проблема решена, а как быть если требуется стабилизировать напряжение, скажем, 60В? В этом случае можно соединять стабилитроны последовательно. Таким образом 60В это 6 стабилитронов по 10В или 5 по 12В (рис.14).

Рис.14

Как и для любой последовательной цепи, здесь работает правило

где:  - общее напряжение стабилизации цепочки
n – количество стабилитронов в цепи
 - напряжение стабилизации каждого стабилитрона.

При чем напряжение стабилизации у стабилитронов может отличаться, но ток стабилизации должен быть одинаковым.

4.4.4. Наращивание тока нагрузки

Таким образом решается вопрос с высоким напряжением. Если требуется повысить нагрузочную способность (предельно допустимый ток нагрузки) используются каскады эмиттерных повторителей, образующие составной транзистор (рис.15).

Рис.15

Параметрический стабилизатор и эмиттерный повторитель рассчитываются так же, как и в предыдущих схемах. R2 включен в схему для стока потенциалов с базы VT2 когда VT1 закрыт, однако должно выполняться условие , где Z_VT1 – импеданс VT1 в открытом состоянии.

4.4.5. Регулировка выходного напряжения

В ряде случаев бывает необходимо подстраивать или регулировать выходное напряжение стабилизатора (рис.16).

Рис.16

В этой схеме нагрузкой считается R2, и ток через стабилитрон должен превосходить ток через R2. Следует помнить, что если напряжение снижено до «0», то на переходе коллектор-база действует полное входное напряжение. Если заявленный режим транзистора не достигает этого напряжения, то транзистор неизбежно выйдет из строя. Так же следует отметить, что на выходе стабилизаторов с эмиттерными повторителями очень опасны конденсаторы большой емкости. Дело в том, что в этом случае транзистор оказывается зажатым между двумя большими емкостями. Если разрядить выходной конденсатор, то сглаживающий конденсатор разрядится через транзистор и транзистор выйдет из строя от перегрузки по току. Если разрядить сглаживающий конденсатор, то на эмиттере напряжение станет выше, чем на коллекторе, что так же неизбежно приведет к пробою транзистора.

4.4.6 Стабилизация тока применяется довольно редко. Например зарядных устройствах для АКБ. Самым простым и надежным способом стабилизировать ток является использование каскада с общей базой и светодиодом в качестве стабилизирующего элемента.

Рис.17

Принцип работы такой схемы весьма прост: при снижении тока через нагрузку уменьшается падение напряжения в каскаде. Таким образом на нагрузке повышается напряжение, а следовательно (по закону Ома) и ток. А вырасти выше нужного предела току не позволяет зафиксированный светодиодом режим базы транзистора, т.е. коэффициент усиления не позволяет выдать такой ток на выходе, ибо транзистор работает в режиме насыщения.

где: R1 – сопротивление резистора R1
U_пр.св – прямое напряжение на светодиоде
U_БЭ.нас – напряжение между эмиттером и базой в режиме насыщения
I_H – необходимый ток нагрузки.

где: R2 – сопротивление резистора R2
Е – входное напряжение стабилизатора
U_пр.св – максимальное прямое напряжение светодиода
I_пр.max – максимальный прямой ток светодиода.

Импульсные БП будут рассмотрены во второй части статьи.

Павел А. Улитин aka Soundoverlord

Теги:

• Блок питания