Импульсный блок питания что это такое. Импульсный блок питания: принцип работы, преимущества и недостатки

Что такое импульсный блок питания. Как работает импульсный источник питания. В чем преимущества импульсных блоков питания перед линейными. Какие недостатки есть у импульсных блоков питания. Где применяются импульсные источники питания.

Что такое импульсный блок питания

Импульсный блок питания (SMPS — Switched-Mode Power Supply) — это электронное устройство, которое преобразует электрическую энергию из одного вида в другой с высокой эффективностью. Основная задача импульсного блока питания — преобразовать входное переменное напряжение сети (обычно 220В) в стабилизированное постоянное напряжение нужного уровня для питания различных электронных устройств.

В отличие от линейных блоков питания, импульсные источники используют высокочастотное переключение для преобразования энергии, что позволяет значительно уменьшить габариты и вес устройства при той же выходной мощности.

Принцип работы импульсного блока питания

Принцип работы импульсного источника питания основан на быстром переключении силового элемента (транзистора) между открытым и закрытым состоянием. Это позволяет передавать энергию порциями с высокой частотой (десятки-сотни кГц).

Основные этапы работы импульсного блока питания:

1. Выпрямление входного переменного напряжения
2. Высокочастотное преобразование напряжения с помощью ключевого элемента
3. Выпрямление и фильтрация выходного напряжения
4. Стабилизация выходного напряжения с помощью обратной связи

Благодаря высокой частоте преобразования удается использовать малогабаритные трансформаторы и фильтры, что позволяет значительно уменьшить размеры и вес устройства по сравнению с линейными источниками питания.

Преимущества импульсных блоков питания

Импульсные источники питания имеют ряд существенных преимуществ перед линейными:

• Высокий КПД (80-95%) за счет ключевого режима работы
• Малые габариты и вес при той же мощности
• Широкий диапазон входных напряжений
• Возможность получения нескольких выходных напряжений
• Хорошая стабилизация выходного напряжения
• Защита от короткого замыкания и перегрузки

Благодаря этим преимуществам импульсные блоки питания получили очень широкое распространение в современной электронике.

Недостатки импульсных источников питания

Несмотря на множество достоинств, импульсные блоки питания имеют и некоторые недостатки:

• Более сложная схемотехника
• Высокочастотные помехи, требующие специальной фильтрации
• Пульсации выходного напряжения на высоких частотах
• Более высокая стоимость при малых мощностях

Впрочем, современные технологии позволяют в значительной степени минимизировать эти недостатки.

Области применения импульсных блоков питания

Благодаря своим преимуществам импульсные источники питания нашли широкое применение в самых разных областях:

• Бытовая электроника (телевизоры, компьютеры, аудиотехника)
• Зарядные устройства для мобильных телефонов и ноутбуков
• Источники бесперебойного питания
• Промышленная автоматика
• Телекоммуникационное оборудование
• Светодиодные источники освещения

Практически любое современное электронное устройство, требующее стабилизированного питания, использует импульсный блок питания.

Сравнение импульсных и линейных источников питания

Основные отличия импульсных блоков питания от линейных:

Параметр	Импульсный БП	Линейный БП
КПД	80-95%	30-60%
Габариты и вес	Малые	Большие
Пульсации	На высоких частотах	На низких частотах
Помехи	Высокочастотные	Низкочастотные
Стоимость	Выше при малых мощностях	Ниже при малых мощностях

Как видно, импульсные блоки питания имеют значительные преимущества по эффективности и габаритам, что обуславливает их широкое распространение.

Выбор между импульсным и линейным источником питания

При выборе типа блока питания следует учитывать следующие факторы:

• Требуемая выходная мощность
• Допустимые габариты и вес
• Требования к уровню пульсаций и помех
• Стоимость

Для большинства современных применений оптимальным выбором будет импульсный источник питания. Линейные блоки питания сохраняют свои позиции в основном в прецизионной измерительной технике, где критичен низкий уровень шумов.

Заключение

Импульсные блоки питания произвели настоящую революцию в области источников питания, позволив значительно уменьшить габариты и повысить эффективность преобразования энергии. Несмотря на некоторые недостатки, связанные с более сложной схемотехникой, они практически полностью вытеснили линейные источники питания в большинстве применений.

Дальнейшее развитие технологий позволяет постоянно улучшать характеристики импульсных блоков питания, минимизируя их недостатки. Это делает их практически безальтернативным выбором для большинства современных электронных устройств.

Что такое импульсный источник питания

Источники питания используются почти во всех электрических / электронных устройствах, чтобы обеспечить достаточный ток при требуемом напряжении. Существует два основных типа источников питания: линейные и импульсные. Оба могут использоваться взаимозаменяемо, но импульсные источники питания становятся все более популярными.

В этой статье давайте посмотрим, что такое импульсные блоки питания, как они работают, а также их преимущества и недостатки по сравнению с традиционным линейным блоком питания.

Что такое импульсный источник питания (SMPS)?

Импульсный источник питания (также известный как импульсный источник питания, SMPS, коммутатор) представляет собой электронный блок питания, который эффективно преобразует электрическую энергию из одного напряжения в другое.

Обычно SMPS используется для передачи мощности от источника постоянного / переменного тока к нагрузке постоянного тока (например, компьютеру, мобильному телефону и т. Д.). Большинство импульсных источников питания преобразуют более высокое напряжение (110 В или 220 В переменного тока) в гораздо более низкое напряжение постоянного тока, например 24 В, 12 В или 5 В.

Мы можем найти эти типы источников питания почти в каждом электроприборе, особенно в компактных. Например, адаптеры для зарядки мобильных телефонов, компьютеры, адаптеры для зарядки ноутбуков можно взять.

История импульсных источников питания

История импульсных источников питания восходит к 1836 году. Есть свидетельства того, что индуктивные катушки использовались для генерации пиков высокого напряжения для экспериментов. Перенесемся почти на десять лет вперед: в 1959 году в Bell Labs Мохамед М. Аталла и Давон Кан изобрели силовой полевой МОП-транзистор. Силовые полевые МОП-транзисторы на сегодняшний день являются наиболее широко используемым переключающим устройством в импульсных источниках питания.

Есть записи о патентах, поданных IBM в 1958 году, где показана конструкция SMPS, основанная на транзисторных колебаниях. Примерно в том же году General Motors Corporation (GM) также подала аналогичные патенты на конструкции SMPS.

Первым коммерческим и широко известным продуктом с импульсным блоком питания был карманный калькулятор Hewlett Packard HP-35. Миниатюрный SMPS использовался для питания светодиодов, ПЗУ и других первичных элементов, таких как часы и регистры. Хотя разработки разрабатывались многими крупными поставщиками, в 1976 году Microchip Technology подала патент на использование термина «импульсный источник питания (SMPS)». Они выпустили первый интегрированный контроллер для импульсных источников питания.

Что означает «режим переключения»?

Термин «режим переключения» или «режим переключения» происходит от работы SMPS. SMPS состоит из сложной схемы, работающей на очень высокой частоте (от 20 кГц до 10 МГц). Это высокоскоростное переключение позволяет импульсному источнику питания преобразовывать электроэнергию более эффективно, чем традиционные линейные источники питания.  

Принцип работы импульсного источника питания

Импульсный источник питания состоит из сложной схемы, которая содержит ряд подсхем силовой электроники для эффективного преобразования энергии из одного напряжения в другое.

Типичный SMPS имеет следующую блок-схему с этими ключевыми подразделами:

• Входной этап
• Стадия переключения
• Выходной каскад
• Цепь управления

Этап ввода

Каскад ввода мощности обычно состоит из полный или полумостовой выпрямитель схема, которая принимает мощность переменного тока в качестве входа и выдает отфильтрованный выход постоянного тока с тем же напряжением. Например, этот каскад может преобразовывать 110 В переменного тока в 110 В постоянного тока. Этот каскад также содержит дополнительные LC-фильтры (катушка индуктивности и конденсатор) для дальнейшего устранения любых пульсаций входной мощности.

Высокочастотный переключатель

Это наиболее ответственный этап электроснабжения. Обычно в SMPS в качестве основного коммутирующего устройства используется силовой полевой МОП-транзистор (один или несколько). Сигнал ШИМ быстро включает и выключает полевой МОП-транзистор, действуя как переключатель. Это преобразует сглаженное постоянное напряжение от входного каскада в высокочастотную прямоугольную волну. Коммутационное устройство работает в режим непрерывной проводимости в большинстве расходных материалов для достижения большей эффективности преобразования.

 Этот колебательный источник питания подается на силовой трансформатор, который понижает или увеличивает напряжение в соответствии с соотношением первичной и вторичной обмоток. Некоторые источники питания имеют несколько обмоток для обратной связи и получения нескольких выходных напряжений. 

Выходной этап

Выходной сигнал силового трансформатора также представляет собой колебательный сигнал, который дополнительно фильтруется выходным каскадом. Этот каскад также содержит фильтры, аналогичные входному каскаду, но может обрабатывать больший ток при более низких напряжениях. Это последний этап схемы, который передает мощность на подключенную нагрузку.

Схема управления

Переключающее устройство (транзистор или полевой МОП-транзистор) должно быстро включаться и выключаться для генерации прямоугольной волны, необходимой для питания силового трансформатора с использованием сигнала ШИМ. Этот сигнал ШИМ имеет как частоту, так и рабочий цикл. Рабочий цикл — это отношение времени включения к общему времени цикла. Выходным напряжением SMPS можно управлять, увеличивая или уменьшая рабочий цикл сигнала ШИМ, подаваемого на транзистор.

Когда нагрузка подключена, она начинает потреблять ток, и выходное напряжение ИИП падает. В этот момент отдельная схема должна быть в состоянии готовности, чтобы контролировать выходное напряжение и, когда оно падает, необходимо увеличивать рабочий цикл сигнала ШИМ. Точно так же, когда нагрузка отключена, цепь обратной связи уменьшает рабочий цикл, чтобы поддерживать желаемое выходное напряжение.

Что такое топологии SMPS

В коммерческих импульсных источниках питания используется множество топологий:

• Доллар
  • Понижающая топология представляет собой неизолированную топологию понижения постоянного напряжения постоянного тока. (т.е. от 24 В до 12 В постоянного тока)
  • Они потребляют меньший средний ток от входа и обеспечивают более высокий ток на выходе.
  • Примером понижающего преобразователя являются компьютерные блоки питания, в которых основной источник питания 12 В понижается для питания контроллеров 5 В USB и 1.8 В DRAM.
• Boost
  • Это неизолированная топология повышения напряжения постоянного тока. (От 3.7 до 5 В постоянного тока)
  • Повышающие преобразователи потребляют больше тока от входа и меньше тока на выходе при более высоком напряжении на нагрузку.
  • В системах с батарейным питанием, таких как портативные осветительные системы для электромобилей, используются высокоэффективные повышающие преобразователи для преобразования более низкого напряжения в более высокое напряжение для включения электроприборов.
• Бак / подталкивание
  • Комбинация топологий Buck и Boost. Эти схемы могут повышать или понижать вход в соответствии с желаемым выходом.
  • Понижающие / повышающие преобразователи используются там, где входное напряжение может быть выше или ниже желаемого выходного напряжения. Используя такой преобразователь, мы всегда можем гарантировать, что он обеспечит желаемое выходное напряжение независимо от входного напряжения. Однако это обычно имеет ограничения, такие как диапазон входного напряжения (минимальное и максимальное входные напряжения.

Вышеупомянутые топологии являются наиболее простыми топологиями. Однако они не обеспечивают гальванической развязки, как трансформаторы. Следовательно, существуют более продвинутые топологии, в которых используются более сложные трансформаторы для обеспечения необходимых функций безопасности при сохранении той же функциональности.

• Лететь обратно
  • Усовершенствованная версия понижающего преобразователя обеспечивает ту же функциональность с гальванической развязкой.
• Прямой конвертер
  • Изолированная топология SMPS более эффективна, чем обратная топология.

Цепь импульсного источника питания

Хотя управление SMPS может показаться сложным и более сложным в обращении, существуют специализированные ИС контроллера SMPS, такие как TNY267, TEA173X и VIPER22A, которые имеют встроенный генератор PWM и многие другие расширенные функции, такие как управление обратной связью и защита от короткого замыкания / перенапряжения.

Ниже показано типичное применение TNY267 от Power Integrations, простого автономного контроллера SMPS, который может выдавать 12 В 1 А постоянного тока с использованием источника переменного тока 230 В.

Вход Vin представляет собой вход 100–300 В переменного тока (также может быть постоянным током), а вход защищен предохранителем и металлооксидным варистором (MOV) для защиты цепи от скачков перенапряжения. Мостовой выпрямитель D3 и конденсатор C2 вместе выпрямляют входной сигнал переменного тока до 100–300 В постоянного тока. Выходное напряжение этого каскада составляет примерно [входное напряжение * 1.4] из-за значений RMS.

D2 и D4 вместе образуют схему подавления переходных процессов для защиты TNY267 от обратно ЭДС шипы. D1 и C1 выпрямляют вторичный выход трансформатора T1, который является желаемым выходным напряжением.

R1, D5 и R2 образуют цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения в соответствии с изменяющимися условиями нагрузки. Это помогает TNY267 поддерживать постоянное выходное напряжение на уровне 12 В.

Преимущества и недостатки импульсных источников питания

Импульсные источники питания имеют множество преимуществ:

• Меньший по размеру, поэтому может поместиться в компактные устройства
• Благодаря компонентам на основе полупроводников, ИИП легче по весу.
• Очень эффективен, чем линейные источники питания (типично 70-95%)
• Поддерживает более широкий диапазон входного и выходного напряжения
• Обеспечивает дополнительные функции, такие как регулируемые выходы и функции безопасности, такие как защита от короткого замыкания, перенапряжения, перегрузки по току и перегрева.
• Низкое тепловыделение, поэтому требуется минимальное активное охлаждение

Однако у SMPS есть и недостатки, которые иногда делают их непригодными для определенных приложений. Например, SMPS представляет собой гораздо более сложную схему, чем традиционная линейная схема. Таким образом, существует множество компонентов, которые могут выйти из строя и снизить производительность источника питания.

Кроме того, SMPS известны своими более высокими EMI (электромагнитными помехами) и электрическими шумами, поскольку они работают на высоких частотах. Плохо спроектированный SMPS может вызвать сбои, а иногда даже необратимо повредить чувствительную электронику, питающуюся от них.

В области энергоснабжения импульсные источники питания также создают гармонические искажения в энергосистеме и иногда могут потребовать дополнительной коррекции коэффициента мощности, если они не встроены в источник питания.

Линейный и импульсный источник питания

Основное отличие ИИП от линейных источников питания — их эффективность. Импульсные источники питания чрезвычайно эффективны по сравнению с линейными источниками питания, которые имеют тенденцию рассеивать больше энергии в виде тепла.

В линейных источниках питания переменного и постоянного тока обычно используются трансформаторы для понижения входного переменного напряжения, а затем его выпрямление с помощью диодов и фильтров с использованием конденсаторов. Это обеспечивает очень низкий уровень пульсаций на выходе, но за счет снижения эффективности (около 30% -60%). Они также имеют тенденцию быть очень громоздкими из-за размера и веса трансформатора. Линейные источники питания не могут работать с переменным входным напряжением, если они не разработаны специально.

С другой стороны, линейные преобразователи постоянного тока в постоянный понижают напряжение, рассеивая падение напряжения в виде тепла. Следовательно, для правильной работы сильноточных линейных регуляторов требуется более сложное активное охлаждение. Однако линейные источники питания просты в бездействии и относительно дешевы в реализации. Также изолированы выходы линейных (трансформаторных) источников питания.

SMPS в этом случае отличается показателями эффективности от 80% и выше с минимальными потерями мощности. Кроме того, они имеют небольшой форм-фактор и имеют гибкие возможности применения, так как схема может быть изменена для получения регулируемых выходов и даже изолированных выходов. Но они намного сложнее по конструкции (большое количество компонентов) и имеют высокочастотный шум на выходе. При неправильном обращении они могут вызвать проблемы в чувствительных участках цепей нагрузки.

Заключение

Импульсные источники питания очень эффективны при преобразовании электроэнергии из одного напряжения в другое. Они подходят для приложений с высоким КПД и большой мощностью и во многих случаях более подходят, чем линейные источники питания. Однако выбор SMPS или линейного источника питания должен выполняться с учетом многих факторов, таких как допустимая пульсация на выходе, нагрузка и регулировка линии, а также стоимость / сложность в желаемом приложении.

Sciber

Среди ценителей качественного звука существует немало мнений, что импульсные блоки питания не годятся для использования в аудиотехнике. Но так ли это? Давайте попробуем разобраться! Мы возьмем один усилитель, запитаем его сначала от импульсного блока, а потом и от «канонического» тороидального трансформатора и проведем измерения качества звука: уровень искажений и показатели выходной мощности. И сделаем выводы.

Совсем немного истории

Трансформатор был изобретен аж в XIX веке, и получил широкое распространение вполне «естественным» образом – просто ничего более подходящего не было.

Импульсные блоки питания были изобретены в конце 1960-х годов, почти сто лет спустя после изобретения трансформатора. Это стало возможным с существенным развитием полупроводниковой отрасли.

Краткая теория

В блоке питания сетевое напряжение понижается трансформатором, выпрямляется выпрямителем и сглаживается конденсатором. Частота тока питающей сети 50 Hz требует применения больших и тяжелых железных магнитопроводов (при меньшей частоте нужна большая величина магнитной индукции). Импульсные блоки питания работают по принципу преобразования сетевого напряжения в ток в 1000 раз более высокой частоты, примерно 50-80 kHz, что позволяет использовать магнитопроводы из эффективных ферромагнитных материалов, обмотки из меньшего количества витков провода и сглаживающие конденсаторы меньшей ёмкости. Это даёт радикальное уменьшение габаритов и веса блока питания при той-же отдаваемой мощности. И не только это.

Методика тестов и измерений

Для того, чтобы максимально нагрузить усилитель и поберечь свои барабанные перепонки, мы будем использовать в качестве нагрузки на выходах усилителя вот такое устройство:

Рис. 1 – Блок нагрузки для тестирования

Это блок высокомощных резисторов по 1Ω, который используются, чтобы получить 4Ω или 8Ω нагрузки. Мы проведём три исследования: исследование работы блоков питания при нагрузке усилителя синусоидальным сигналом, измерение технических характеристик усилителя и субъективное сравнение звучания усилителя, к которому попеременно подключаются импульсный и трансформаторный блоки питания.

Герои тестирования

Два импульсных блока питания Meanwell EPP-200-27. Два, потому что для питания усилителя нужно двухполярное напряжение ±30В, а один такой блок выдает напряжение одной полярности. Номинальная мощность этого блока питания 200W, итого получаем 400W мощности. Общая масса блоков питания 380 грамм.

Рис. 2 – Импульсные блоки питания

Стоит отдельно отметить, что данные импульсные блоки достаточно качественные. Но мы специально не брали на тест noname-изделия с Али Экспресс, т.к. маловероятно, что серьезные производители аудиотехники используют второсортные комплектующие.

И трансформаторный блок питания, сделанный из трансформатора ТТП400 (2×25В, 7.5А) с номинальной мощностью 400W, двух выпрямительных мостов на диодах Шоттки и батарей сглаживающих конденсаторов по 40000 мкф в плечо. Это классическая схема питания, применяемая испокон веков и до наших дней. Масса одного только трансформатора, без учёта всего остального — 4.1 килограмм.

Рис. 3 – Трансформаторный блок питания

Часть 1.

Исследование работы под нагрузкой

Сравнивать работу блоков питания будем нагружая усилитель синусоидальным сигналом с частотой 1кгц и снимая с него мощность 350W. Данный уровень нагрузки мы установим по уровню напряжения на выходе с усилителя в 34,7 Вольт. Тестировать будем как под нагрузкой, так и без нагрузки – в режиме покоя.

Сначала протестируем импульсные блоки питания. Выходное напряжение питания в режиме покоя:

Рис. 4 – Выходное напряжение питания ИБП в режиме покоя

Выходное напряжение под нагрузкой:

Рис. 5 – Выходное напряжение питания ИБП под нагрузкой

Как вы видите, напряжение просело на 84 милливольта, что составляет 0.28% от изначального.

Аналогичным образом проверяем трансформаторный блок питания:

Рис. 6 – Выходное напряжение питания ТБП в режиме покояРис. 7 – Выходное напряжение питания ТБП под нагрузкой

Как видим, под нагрузкой выходное напряжение просаживается на 5.754 Вольта, что составляет 19.1% от изначального. Это в 68 раз больше, чем у импульсных блоков!

Почему так происходит? Давайте посмотрим осциллографом одновременно форму сетевого напряжения и потребляемого от сети тока. Первым идёт ИБП:

Рис. 8 – форма сетевого напряжения и потребляемого тока ИБП (Желтый – напряжение, Голубой — ток).

Жёлтая кривая — сетевое напряжение, голубая — потребляемый ток. Как вы видите, форма потребляемого тока примерно соответствует напряжению – потребление энергии происходит равномерно, соответственно её поступлению.

А теперь то же самое для ТБП:

Рис. 9 – форма сетевого напряжения и потребляемого тока ТБП (Желтый – напряжение, Голубой — ток).

Форма тока лишь частично следует за формой напряжения. Энергия потребляется примерно в половину времени её поступления, остальное время ток не течёт, потому что сглаживающий конденсатор заряжается только тогда, когда выпрямленное напряжение снятое с трансформатора больше напряжения на нём.

По этой причине потребляемая трансформатором мгновенная мощность значительно превышает номинально отдаваемую (энергия отдаётся непрерывно всё время, потребляется из сети примерно половину времени, значит потреблять её надо в два раза быстрее).

А теперь посмотрим осциллограммы работы трансформатора без нагрузки и под нагрузкой. Жёлтая линия — напряжение на первичной обмотке (сетевое), голубая — напряжение на вторичной обмотке (отдаваемое).

Рис. 10 – Напряжения на обмотках ТБП в режиме покоя (Желтый – входное, Голубой — выходное).Рис. 11 – Напряжения на обмотках ТБП под нагрузкой (Желтый – входное, Голубой — выходное).

Как вы видите, форма сетевого напряжения не меняется, а напряжение на вторичной обмотке обрезается на пиках, как раз в тот момент, когда происходит потребление тока:

Рис. 12 – ТБП – Напряжение на входе(желтый), выходе(красный), и потребляемый ток (голубой) под нагрузкой.

Причина этого — потери энергии на нагрев обмоток трансформатора, вынужденного отдавать импульсный ток значительно больший номинального. По этой причине с трансформатора номинальной мощностью 400W получается снять лишь 350W. Попытка снять больше приведет к появлению значительных искажений звука из-за просадки напряжения питания. Чтобы уменьшить просадку — нужно увеличивать мощность трансформатора, до полутора-двух раз от потребляемой. А значит — габариты и массу.

С импульсных блоков питания номинальной мощностью 400W можно снять все 400W без просадки напряжения, поскольку в них проблема неравномерного потребления энергии решается электронным узлом, называемым ККМ (корректор коэффициента мощности). Им, согласно нормативным документам, в обязательном порядке должны быть оснащены все ИБП мощностью более 100W. В жизни оно, конечно, не всегда так – часто встречаются «китайские» варианты без ККМ и схем защиты, горящие как спички от неосторожного чиха. Такое просто не нужно использовать.

Теперь проверим, насколько чистое питание выдаётся в усилитель. Осциллограмма пульсаций напряжения ТБП под нагрузкой:

Рис. 13. Пульсации напряжения ТБП под нагрузкой.

Видим пульсации с удвоенной частотой сети: 100Hz, и амплитудой 800мв, что составляет 2.6% от полного напряжения. Чтобы снизить амплитуду пульсаций, нужно увеличивать ёмкость сглаживающего конденсатора, что в свою очередь уменьшает период потребления тока и требует дополнительного увеличения мощности трансформатора.

Пульсации напряжения ИБП:

Рис. 14. Пульсации напряжения ИБП под нагрузкой.

Амплитуда пульсаций импульсного блока питания не превышает 100мв, что в 8 раз меньше амплитуды пульсаций трансформаторного блока питания. Сами пульсации происходят с более высокой частотой и более эффективно устраняются сглаживающими конденсаторами.

Часть 2. Замеры влияния типа источника питания на качество звука

Теперь проверим – влияет ли тип источника питания на качество звука? Для этого мы измерим параметры усилителя с одним и другим источником питания.

Измерительным комплексом у нас выступит система со специализированной картой Lynx Studio E22 и программным обеспечением RightMark Audio Analyzer 6.4.5 PRO.

При тестировании качества звука, мы установим выходную мощность в 60 Вт на канал с нагрузкой в 4 Ом (для этого мы подаем с измеряемого компьютера 1 кГц на вход усилителя, и выставляем громкость по уровню выходного напряжения 15,5 Вольт (U = Sqrt(P*R). U=Sqrt(60*4). U = 15,49).

Запускаем тесты с разными источниками питания и получаем следующие цифры:

Рис. 15. Результаты тестирования качества звука с ИБП и ТБП

Как видим, существенных различий нет, но показатели усилителя при использовании импульсного блока чуть лучше. Это потому, что, как мы уже видели – выходное напряжение трансформаторного блока питания просаживается под нагрузкой.

Часть 3. Субъективное прослушивание

Осталась самая интересная часть – сделать кнопку, при нажатии на которую усилитель будет запитываться от одного источника питания, и при отпускании которой – от другого, и вживую, на играющей музыке проверить – будет ли разница?

Для переключения источников питания по нажатию кнопки мы будем использовать вот такие (опять же, самодельные) устройства – транзисторные силовые ключи:

Рис. 16. Транзисторные силовые ключи для переключения источников питания «на лету»

И вот как выглядит весь наш тестовый стенд после того, как он подготовлен к субъективному прослушиванию:

Рис. 17. Тестовый стенд целиком

Мы отслушали несколько разных композиций, переключая наши источники питания по ходу прослушивания, и не смогли на слух определить разницы в качестве звучания. Что подтверждает все полученные нами ранее данные.

Выводы

Наше исследование показало, что тип используемого источника питания на качество звука не влияет. И использование производителями более легких и компактных импульсных блоков очень даже оправдано (тем более, что ИБП, как правило, могут работать от сети и в 110 Вольт, и в 220 Вольт «по умолчанию», а трансформатору для этого нужен отвод от первичной обмотки и переключатель).
Но еще раз отметим, что этот вывод справедлив для качественных блоков питания, в которых не экономили на функциональных узлах.

Рис. 18. Герои статьи вместе

Спасибо за чтение!

Григорий Можаровский и Роман Ромащенко
2020.05.20

Линейные и импульсные источники питания

: в чем разница?

Скорее всего, вы ежедневно пользуетесь смартфоном, ноутбуком или персональным компьютером. Эти электронные устройства используют для работы постоянный ток (DC). Однако, поскольку домохозяйства обычно питаются переменным током высокого напряжения (AC), вам необходимо понизить напряжение и преобразовать переменный ток в постоянный с помощью источника питания, такого как блок питания или зарядное устройство.

В настоящее время наиболее распространенными источниками питания являются линейные и импульсные источники питания. Знание того, какой из них использовать для конкретных приложений, обеспечит безопасность и оптимальную работу вашей электроники.

Продолжите чтение ниже для сравнения между линейными и импульсными источниками питания.

Что такое линейные и импульсные источники питания?

Линейные и импульсные источники питания представляют собой электрические устройства, используемые для питания и зарядки электронных устройств постоянного тока. Этим устройствам поручено делать две вещи: снижать напряжение и преобразовывать переменный ток в постоянный. Хотя оба устройства снижают и выпрямляют мощность, разница в том, как они решают эти задачи, делает их более подходящими для определенных приложений.

Image Credit: Stephan Ridgway/Flickr

Линейный источник питания — это устройство, используемое в малошумных и точных операциях. Использование в нем тяжелых трансформаторов и аналоговых фильтров позволяет этому блоку питания выдавать чистое напряжение за счет низкой эффективности, большего веса и больших размеров. Линейные источники питания лучше всего использовать в записывающем оборудовании, электрических музыкальных инструментах, медицинском оборудовании и высокоточных лабораторных измерительных приборах.

Изображение предоставлено Faculteitsbibliotheek Letteren & Wijsbegeerte/Flickr

Импульсный или импульсный источник питания (SMPS) используется для высокоэффективных и сильноточных операций. В отличие от линейных источников питания, импульсные источники питания используют полупроводниковые компоненты для модуляции и регулирования входящего напряжения. Эти блоки питания основаны на высокочастотном переключении с использованием силовых транзисторов, что делает их шумными, но очень энергоэффективными, легкими и компактными. Импульсные источники питания часто используются в компьютерах, зарядных устройствах для телефонов, производственном оборудовании и многих низковольтных электронных устройствах.

Как работает линейный источник питания

Используя полностью аналоговые компоненты, доступные в 50-х годах, линейные источники питания должны были полагаться на тяжелые силовые трансформаторы и громоздкие электролитические конденсаторы для понижения и выпрямления напряжения. Хотя в то время транзисторы уже производились серийно, высокое напряжение переменного тока просто выделяло слишком много тепла для транзисторов.

Вот схема линейного источника питания:

Линейный источник питания работает в три этапа:

Шаг 1: Уменьшите входящее высокое напряжение переменного тока с помощью трансформатора.

Шаг 2: Пониженное напряжение затем проходит через мостовой выпрямитель, который выпрямляет переменное напряжение до пульсирующего постоянного напряжения.

Шаг 3: Пульсирующие сигналы постоянного напряжения проходят через фильтр, состоящий из катушек индуктивности и конденсаторов. Этот сглаживающий фильтр устраняет колебания сигнала пульсирующего постоянного напряжения, что делает их пригодными для использования в чувствительных электронных устройствах.

Принцип работы импульсного источника питания

Импульсные источники питания представляют собой сложные устройства, в которых используются полупроводниковые компоненты для высокочастотного переключения мощности и трансформатор меньшего размера с ферритовым сердечником. Эти типы источников питания могут повышать и понижать напряжение, используя цепь обратной связи постоянного тока для управления выходным напряжением.

Вот как они работают:

Шаг 1 : Переменный ток высокого напряжения поступает в блок питания через модуль защиты цепи, состоящий из предохранителя и фильтра ЭМС. Предохранитель предназначен для защиты от перенапряжения, а фильтр ЭМС защищает цепь от пульсаций сигнала, исходящих от нефильтрованного переменного тока.

Шаг 2: Убедившись, что цепь хорошо защищена, высоковольтный переменный ток проходит через второй модуль, состоящий из мостового выпрямителя и сглаживающего конденсатора. Мостовой выпрямитель преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный, который затем сглаживается конденсатором.

Шаг 3: Затем высоковольтный постоянный ток подается через драйвер ШИМ, который принимает обратную связь и управляет мощным полевым МОП-транзистором, который регулирует напряжение посредством высокочастотного переключения. Переключение также превращает прямой постоянный ток в прямоугольную волну.

Шаг 4: Прямоугольная волна постоянного тока теперь поступает в трансформатор с ферритовым сердечником, преобразуя сигналы обратно в прямоугольные волны переменного тока.

Шаг 5 : Прямоугольные волны переменного тока проходят через мостовой выпрямитель, преобразуя сигнал в пульсирующий постоянный ток и затем пропуская его через сглаживающий фильтр. Затем конечный выход используется для отправки сигналов на ШИМ-драйвер, который образует петлю обратной связи, регулирующую выходное напряжение.

Линейные и импульсные источники питания

Существуют разные причины выбора источника питания для использования в конкретных приложениях. К ним часто относятся эффективность, шум, надежность и ремонтопригодность, размер и вес, а также стоимость. Теперь, когда у вас есть общее представление о том, как они работают, вот как их способ обработки энергии влияет на их производительность и удобство использования в определенных приложениях.

Эффективность

Поскольку электричество должно проходить через ряд электрических и электронных компонентов, процесс выпрямления и регулирования напряжения всегда будет неэффективным. Но сколько?

В зависимости от номинала импульсные блоки питания могут иметь КПД 80–92 %. Это означает, что ваше устройство может выдавать 80–92% энергии, которую вы в него вложили. Его эффективность обусловлена ​​использованием меньших, но эффективных компонентов, которые регулируют напряжение посредством высокочастотного переключения низкого напряжения.

Напротив, линейный блок питания может быть энергоэффективен только на 50–60 % из-за использования в нем более крупных и менее эффективных компонентов.

Шум сигнала и пульсации

Несмотря на неэффективность, линейные источники питания компенсируют свою неэффективность за счет стабильного, чистого выходного сигнала с низким уровнем шума. Использование аналоговых компонентов в линейном источнике питания позволяет им обрабатывать электричество плавно и без переключений, что обеспечивает низкий уровень пульсаций или шума на выходе.

С другой стороны, импульсные источники питания основаны на высокочастотном переключении низкого напряжения для уменьшения нагрева, повышения эффективности и создания большого количества шума! Величина шумового сигнала зависит от конструкции и качества конкретного импульсного источника питания.

Размер и вес

Размер и вес блока питания могут сильно повлиять на его применение в небольших электронных устройствах. Поскольку в линейных источниках питания используются тяжелые и громоздкие компоненты, их использование в малозаметных электронных устройствах невозможно, если только вы не используете блок питания в качестве зарядного устройства.

Что касается импульсных источников питания, поскольку в них используются небольшие и легкие компоненты, они могут быть достаточно компактными, чтобы их можно было интегрировать в уже более мелкие устройства. Небольшой вес и малый размер импульсного источника питания в сочетании с его энергоэффективностью делают его применимым для подавляющего большинства портативных электронных устройств.

Надежность и ремонтопригодность

Благодаря меньшему количеству деталей, которые могут сломаться во время работы, линейные источники питания обеспечивают стабильные и надежные выходы. Простота конструкции и использование более распространенных электронных компонентов облегчают поиск запчастей и ремонт линейных расходных материалов.

Имея значительно более хрупкие компоненты, импульсные блоки питания с большей вероятностью сломаются раньше, чем линейные блоки питания. Тем не менее, хороший дизайн и использование качественных компонентов могут сделать импульсные источники питания очень надежными, возможно, даже такими же надежными, как линейные источники питания. Настоящая проблема с импульсными блоками питания заключается в том, что чем сложнее их конструкция, тем сложнее их ремонтировать.

Экономическая эффективность

В прошлом линейные источники питания были более экономичными устройствами из-за их простой конструкции и использования меньшего количества компонентов. Не помогло и то, что производство полупроводниковых компонентов было дорогим. Однако, поскольку полупроводники стали более востребованными, производители смогли масштабировать и делать твердотельные компоненты экспоненциально дешевле, чем раньше. Это, в свою очередь, делает многие конструкции импульсных источников питания более экономичными, чем линейные источники питания.

Использование подходящего источника питания

Вот и все, что вам нужно знать о линейных и импульсных источниках питания. Чтобы обеспечить безопасность ваших электронных устройств, всегда используйте оригинальные зарядные устройства, поставляемые вместе с устройством, но если их нет в наличии, вы всегда можете купить адаптер питания.

Перед покупкой помните, что линейные источники питания идеально подходят для электроники, используемой для точных приложений, таких как электрические музыкальные инструменты, радиоприемники и медицинские инструменты, а импульсные источники питания используются для высокоэффективных ситуаций, таких как компьютерные блоки питания, зарядные устройства и освещение. .

Как работают импульсные источники питания? Исторический обзор революционных технологий источников питания｜Мир силовой электроники｜Узнайте о технологиях с помощью TDK

Часть 2. Как работают импульсные источники питания? Исторический обзор революционных технологий электропитания

• фейсбук
• твиттер
• Линкедин

Эта статья представляет собой переиздание переработанного/переписанного контента из прошлого. Он может содержать устаревшую техническую информацию и ссылки на продукты, которые в настоящее время не доступны в TDK.

Электронные устройства, оснащенные ИС и микрокомпьютерами, требуют стабилизированного постоянного тока с небольшими колебаниями напряжения. Стабилизированные источники питания бывают двух типов: линейные и импульсные. Импульсные источники питания преодолели ограничения обычных линейных источников питания, добившись революционной миниатюризации, снижения веса и высокой эффективности. Импульсные источники питания воплощают в себе ключевые технологии энергетических решений.

Почему адаптеры переменного тока на основе линейного метода тяжелые и громоздкие

Адаптер переменного тока, который преобразует обычный переменный ток в постоянный, является хорошим примером для изучения основных технологий, лежащих в основе источников питания. В прошлом адаптеры переменного тока обычно были тяжелыми и громоздкими предметами, но сегодня они намного легче и меньше, примером чего является зарядное устройство для мобильного телефона. Это связано с тем, что метод переключения стал основным с начала 2000-х годов, заменив традиционный линейный метод.

Различия между линейным и импульсным методами обсуждаются ниже, но сначала давайте рассмотрим простой обычный адаптер переменного тока — простой линейный блок питания без схемы стабилизации. Этот тип адаптера переменного тока имеет простую схему и низкую стоимость и используется в стационарных беспроводных телефонах, колонках для настольных компьютеров, электроинструментах и ​​т. д. Хотя по внешнему виду трудно сказать, большая часть его веса и объема связана с силовой трансформатор внутри, состоящий из катушки, намотанной на сплошной железный сердечник. Силовой трансформатор преобразует переменное напряжение 100 В в более низкое переменное напряжение. Затем переменный ток выпрямляется с помощью диодов — элементов, которые пропускают ток в одном направлении, но блокируют его в противоположном направлении.

Даже после выпрямления ток все еще пульсирует и далек от чистого постоянного тока, поэтому он дополнительно сглаживается сглаживающей схемой на основе конденсатора. Конденсатор хранит электрический заряд, основное свойство конденсатора. Схема выпрямления, показанная на рисунке ниже, является примером использования диодов в мостовой конфигурации (метод двухполупериодного выпрямления). Даже когда переменный ток меняет свое направление, ток, протекающий к конденсатору, всегда имеет одно и то же направление, заряжая конденсатор. При пульсирующих токах ток и напряжение сильно циклически колеблются, и конденсатор соответственно разряжает накопленную энергию, чтобы подавить эти колебания. В сглаживающих цепях требуются конденсаторы большой емкости; таким образом, обычно используются алюминиевые электролитические конденсаторы. Кроме того, дроссель иногда помещают последовательно с конденсатором, используя способность катушки препятствовать изменениям тока, тем самым дополнительно способствуя сглаживанию.

Стабилизированные источники питания постоянного тока имеют решающее значение для цифровых электронных устройств

Блок питания переменного/постоянного тока, такой как адаптер переменного тока, предназначен для получения постоянного тока от коммерческого источника переменного тока. Однако качество DC сильно различается. В простом сетевом адаптере даже после того, как пульсирующий ток сглажен, в осциллограмме остаются пульсации. Колебания напряжения коммерческого входа переменного тока также могут дестабилизировать выходное напряжение постоянного тока. Эти недостатки могут не быть проблемой для таких задач, как зарядка аккумулятора, но могут привести к выходу из строя низковольтных ИС, что потребует более равномерного и стабильного постоянного тока. Источник питания, снабженный для этой цели стабилизирующей схемой (регулятором), называется стабилизированным источником питания.

Стабилизированные источники питания подразделяются на линейные и импульсные в зависимости от используемого метода. Линейные источники питания используются со времен электронных ламп. Принцип довольно прост: выходное напряжение регулируется включением в схему переменного резистора. Стабилитроны и ИС с тремя выводами (также известные как регуляторы с тремя выводами) являются примерами компонентов, которые функционируют как переменные резисторы.

Диоды Зенера

также называют диодами постоянного напряжения. Обычные диоды используются в качестве выпрямительных элементов, позволяя току течь в одном направлении, но не в противоположном. Однако, если напряжение прикладывается в обратном направлении и постоянно увеличивается, в конечном итоге будет достигнут порог, при котором диод резко начинает пропускать ток. Диоды Зенера используют это явление, чтобы позволить току течь только выше определенного напряжения; таким образом, его можно использовать для поддержания постоянного выходного напряжения.

Трехвыводная ИС — это компонент, который обнаруживает разницу между напряжением, установленным стабилитроном (известным как опорное напряжение), и фактическим выходным напряжением и стабилизирует напряжение, усиливая и корректируя его с помощью транзистора. Это называется «схема с тремя выводами», потому что вся схема построена на одном кристалле и имеет три контакта: IN, OUT и GND (земля). Они широко используются в электронных устройствах из-за их небольшого размера и простоты использования. Они выделяют большое количество тепла, требуя радиаторов для отвода тепла, поэтому они не подходят для источников питания с высокими требованиями к мощности. Однако из-за их простой схемы и низкого уровня шума они часто используются в измерительных приборах, медицинском оборудовании и высококачественном аудиооборудовании.

Импульсные источники питания позволили уменьшить размеры, вес и повысить эффективность

Наконец-то мы добрались до объяснения импульсных блоков питания. Одним из наиболее распространенных среди нас импульсных источников питания является адаптер переменного тока мобильного телефона. Хотя его схема намного сложнее, чем у элементарного адаптера переменного тока, упомянутого ранее, он исключительно компактен благодаря микросхемам, используемым в схеме стабилизации. Тот факт, что в нем отсутствует большой и тяжелый силовой трансформатор, объясняет его небольшие размеры и вес.

Импульсные источники питания воплощают в себе множество технологий, которые на протяжении всей истории лежали в основе силовой электроники. Примерно с 1960 года полупроводники (диоды, транзисторы и т. д.) начали заменять электронные лампы, но улучшения размера и эффективности происходили медленно. Это было присуще линейным источникам питания, поскольку для отвода тепла от транзисторов требовались радиаторы, а трансформаторы были тяжелыми и громоздкими.

В импульсных источниках питания

применен совершенно иной подход к преодолению недостатков линейных источников питания. (Их разработка была поддержана программой НАСА «Аполлон».) Ключевое различие между двумя методами заключается в том, что линейный источник питания преобразует коммерческое напряжение переменного тока с помощью трансформатора и впоследствии выпрямляет его; импульсный источник питания сначала выпрямляет переменный ток в постоянный, а затем преобразует напряжение. После выпрямления тока напряжение больше не может быть преобразовано с помощью трансформатора. Вместо этого полупроводники (транзисторы и полевые МОП-транзисторы) управляют высокоскоростным переключением, которое преобразует выпрямленный ток в импульсную волну, которая затем подается на высокочастотный трансформатор, преобразующий напряжение. Это усложняет схему и требует большего количества компонентов, но в этом и заключается суть импульсного блока питания.

Существует несколько методов управления импульсными источниками питания, но наиболее распространен метод ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Ширина импульсов (время включения и выключения тока) регулируется таким образом, чтобы «площадь» каждого импульса (как показано на графике) была нормализована для стабилизации напряжения. По эффективности этот метод намного превосходит линейный источник питания, который постоянно сбрасывает часть мощности в виде тепла в процессе стабилизации. Импульсный источник питания чрезвычайно эффективен, потому что он формирует выходную мощность, как если бы он вырезал и склеивал форму волны, при этом тратилось очень мало электроэнергии.

Размер трансформатора обратно пропорционален частоте, на которую он рассчитан. Частота коммерческого переменного тока составляет 50 или 60 Гц, поэтому трансформатор в линейном источнике питания неизбежно будет большим и тяжелым. С другой стороны, частота импульсных волн импульсного источника питания очень высока — от десятков до сотен килогерц, — для чего достаточно гораздо меньшего и легкого трансформатора. Однако на высоких частотах трансформаторы с железными сердечниками становятся непрактичными из-за чрезмерных потерь мощности. Здесь незаменимым становится ферритовый сердечник. Например, повышение эффективности источников питания всего на 1% может оказать существенное энергосберегающее воздействие на общество в целом. Вот почему возлагаются большие надежды на ферритовые технологии TDK в области силовой электроники. Вместе с тем, у импульсных блоков питания есть и свои недостатки: в основном это генерация шума из-за высокоскоростного переключения. Традиционно блоки питания долгое время представляли собой борьбу с нагревом, а шум — дополнительная проблема.