Блок питания определение. Блок питания: что это такое, принцип работы и основные виды — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое блок питания и для чего он нужен. Как работают трансформаторные и импульсные блоки питания. Какие преимущества и недостатки у разных типов блоков питания. Где применяются блоки питания в современной технике.

Содержание

Что такое блок питания и для чего он нужен

Блок питания (БП) — это устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии. Основная задача блока питания — преобразовать переменное напряжение электрической сети в постоянное напряжение, необходимое для питания различных электронных устройств и приборов.

Блоки питания выполняют следующие основные функции:

Преобразование переменного напряжения сети в постоянное
Понижение или повышение уровня напряжения
Стабилизация выходного напряжения
Защита питаемого устройства от скачков напряжения в сети
Фильтрация помех и шумов

Блок питания является неотъемлемой частью практически любого электронного устройства — от простейших бытовых приборов до сложной вычислительной техники. Без него невозможна работа компьютеров, смартфонов, телевизоров и многих других устройств, окружающих нас в повседневной жизни.

Основные типы блоков питания

Существует два основных типа блоков питания:

Трансформаторные (линейные)
Импульсные

Рассмотрим принцип работы и особенности каждого из этих типов.

Трансформаторные блоки питания

Трансформаторный блок питания — это классический тип БП, принцип работы которого основан на использовании понижающего трансформатора. Схема такого блока питания обычно включает следующие основные элементы:

Понижающий трансформатор
Выпрямитель (диодный мост)
Сглаживающий фильтр (конденсатор большой емкости)
Стабилизатор напряжения

Как работает трансформаторный блок питания? Переменное напряжение сети подается на первичную обмотку трансформатора. На вторичной обмотке формируется пониженное переменное напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсатором. На выходе получается постоянное напряжение, которое при необходимости стабилизируется.

Импульсные блоки питания

Импульсный блок питания работает по принципу высокочастотного преобразования напряжения. Его схема содержит следующие основные узлы:

Входной выпрямитель и фильтр
Высокочастотный преобразователь на силовых транзисторах
Импульсный трансформатор
Выходной выпрямитель и фильтр
Схема обратной связи и управления

Принцип работы импульсного БП заключается в преобразовании выпрямленного сетевого напряжения в импульсы высокой частоты (десятки-сотни кГц), их трансформации и последующем выпрямлении. Обратная связь обеспечивает стабилизацию выходного напряжения.

Преимущества и недостатки разных типов блоков питания

Каковы основные плюсы и минусы трансформаторных и импульсных блоков питания? Рассмотрим их подробнее.

Достоинства трансформаторных БП:

Простота конструкции
Высокая надежность
Низкий уровень электромагнитных помех
Возможность работы с большими токами нагрузки

Недостатки трансформаторных БП:

Большие габариты и вес
Низкий КПД (50-60%)
Плохая стабилизация напряжения при изменении нагрузки

Достоинства импульсных БП:

Малые размеры и вес
Высокий КПД (до 90-95%)
Хорошая стабилизация выходного напряжения
Возможность получения нескольких выходных напряжений

Недостатки импульсных БП:

Более сложная схемотехника
Высокий уровень электромагнитных помех
Чувствительность к перегрузкам

Где применяются разные типы блоков питания

Сферы применения трансформаторных и импульсных блоков питания несколько различаются в зависимости от их особенностей.

Применение трансформаторных БП:

Бытовая техника небольшой мощности
Зарядные устройства
Лабораторные источники питания
Аудиотехника высокого класса

Применение импульсных БП:

Компьютерная и офисная техника
Бытовая электроника (телевизоры, мониторы и т.д.)
Промышленное оборудование
Источники бесперебойного питания

Как выбрать подходящий блок питания

При выборе блока питания необходимо учитывать следующие основные параметры:

Выходное напряжение и ток
Мощность
Стабильность выходного напряжения
Уровень пульсаций
КПД
Наличие защит (от перегрузки, короткого замыкания и т.д.)

Для бытовой техники и электроники обычно подходят стандартные импульсные БП. Для чувствительного к помехам оборудования лучше использовать линейные блоки питания. При выборе важно, чтобы параметры БП соответствовали требованиям питаемого устройства.

Перспективы развития технологий блоков питания

Современные тенденции в развитии блоков питания направлены на:

Повышение энергоэффективности
Уменьшение габаритов
Снижение уровня электромагнитных помех
Увеличение удельной мощности
Улучшение качества выходного напряжения

Перспективными направлениями являются разработка цифровых блоков питания, использование новых полупроводниковых материалов (карбид кремния, нитрид галлия), внедрение технологий беспроводной передачи энергии.

Заключение

Блоки питания играют важнейшую роль в работе современной электроники. Несмотря на кажущуюся простоту, это сложные устройства, прошедшие долгий путь эволюции. Понимание принципов работы и особенностей разных типов БП помогает грамотно подходить к их выбору и эксплуатации. Дальнейшее развитие технологий в этой области будет способствовать созданию все более совершенных источников питания для электронной аппаратуры.

Блок питания | это… Что такое Блок питания?

Блок питания

Промышленные БП Siemens SITOP Power 24 В постоянного тока в качестве вторичного источника электропитания средств автоматизации технологических процессов.

Блок питания (БП) — устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети. Чаще всего блоки питания преобразуют переменный ток сети 220 В частотой 50 Гц (для России, в других странах используют иные уровни и частоты) в заданный постоянный ток.

Содержание

1 Трансформаторные БП
- 1.1 Габариты трансформатора
- 1.2 Достоинства трансформаторных БП
- 1.3 Недостатки трансформаторных БП
2 Импульсные БП
- 2.1 Достоинства импульсных БП
- 2.2 Недостатки импульсных БП
3 Смотри также
4 Ссылки
5 Литература

Трансформаторные БП

Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

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. 2.

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

Основная статья: Импульсный стабилизатор напряжения

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

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.

Смотри также

Стабилизатор напряжения
Фильтр помех
Фильтр (электроника)
Аккумулятор
Обратноходовый преобразователь
Компьютерный блок питания
Источник питания
Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания

Ссылки

Подробный разбор работы блока питания на ШИМ преобразовании.
Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания
Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры.-М.Радио и связь,1983
Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Электропитание устройств связи. -М., Связь, 1975
БЛОК ПИТАНИЯ: импульсный или линейный? ЗА и ПРОТИВ
Бестрансформаторные сетевые источники стабилизированного питания с гасящим конденсатором

Литература

Скотт Мюллер Модернизация и ремонт ПК = Upgrading and Repairing PCs. — 17 изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 1181-1256. — ISBN 0-7897-3404-4