Кпд импульсного блока питания. КПД импульсного блока питания: особенности, преимущества и применение

Что такое КПД импульсного блока питания. Как он влияет на эффективность и производительность. Какие преимущества дает высокий КПД. Где применяются импульсные блоки питания с высоким КПД. Как выбрать блок питания с оптимальным КПД.

Что такое КПД импульсного блока питания

КПД (коэффициент полезного действия) импульсного блока питания — это отношение выходной мощности к входной, выраженное в процентах. Чем выше КПД, тем эффективнее блок питания преобразует входную энергию в полезную выходную мощность.

Типичные значения КПД современных импульсных блоков питания:

• 80-85% — средний уровень
• 85-90% — хороший уровень
• 90-95% — высокий уровень
• Более 95% — очень высокий уровень

Как КПД влияет на характеристики блока питания

КПД оказывает существенное влияние на ключевые параметры импульсного блока питания:

• Энергоэффективность — чем выше КПД, тем меньше энергии теряется при преобразовании
• Тепловыделение — высокий КПД означает меньшие потери на нагрев
• Габариты — эффективные блоки питания компактнее за счет меньшей необходимости в охлаждении
• Надежность — снижение нагрева увеличивает срок службы компонентов

Преимущества высокого КПД импульсных блоков питания

Высокий КПД дает ряд важных преимуществ:

• Экономия электроэнергии — меньше потерь при преобразовании
• Снижение тепловыделения — меньше нагрев, выше надежность
• Уменьшение габаритов — компактность за счет меньшей необходимости в охлаждении
• Увеличение срока службы — меньший нагрев продлевает жизнь компонентов
• Бесшумность работы — высокоэффективные блоки питания часто не требуют активного охлаждения

Области применения импульсных блоков питания с высоким КПД

Импульсные блоки питания с высоким КПД широко применяются в следующих областях:

• Компьютерная техника — ПК, серверы, ноутбуки
• Бытовая электроника — телевизоры, аудиосистемы
• Промышленное оборудование
• Телекоммуникационные системы
• Медицинское оборудование
• Светодиодное освещение
• Зарядные устройства

Факторы, влияющие на КПД импульсного блока питания

На КПД импульсного блока питания влияют следующие ключевые факторы:

• Топология схемы — более совершенные схемотехнические решения обеспечивают лучший КПД
• Качество компонентов — высококачественные силовые транзисторы, диоды, трансформаторы снижают потери
• Частота преобразования — оптимальный выбор частоты позволяет снизить динамические потери
• Нагрузка — КПД зависит от уровня нагрузки, максимален при 50-80% номинальной мощности
• Входное напряжение — стабильное входное напряжение способствует повышению КПД

Как выбрать импульсный блок питания с оптимальным КПД

При выборе импульсного блока питания с высоким КПД следует учитывать:

• Соответствие мощности блока питания потребностям нагрузки
• Наличие сертификации 80 PLUS (Bronze, Silver, Gold, Platinum)
• КПД при различных уровнях нагрузки (10%, 20%, 50%, 100%)
• Стабильность выходных напряжений
• Уровень пульсаций и шумов
• Наличие систем защиты (от перегрузки, КЗ, перегрева)
• Габариты и система охлаждения

Сертификация 80 PLUS для импульсных блоков питания

Сертификация 80 PLUS — это добровольная программа сертификации энергоэффективности блоков питания. Она устанавливает требования к минимальному КПД при различных уровнях нагрузки:

• 80 PLUS: минимум 80% КПД при 20%, 50% и 100% нагрузке
• 80 PLUS Bronze: 82% при 20%, 85% при 50%, 82% при 100% нагрузке
• 80 PLUS Silver: 85% при 20%, 88% при 50%, 85% при 100% нагрузке
• 80 PLUS Gold: 87% при 20%, 90% при 50%, 87% при 100% нагрузке
• 80 PLUS Platinum: 90% при 20%, 92% при 50%, 89% при 100% нагрузке
• 80 PLUS Titanium: 90% при 10%, 92% при 20%, 94% при 50%, 90% при 100% нагрузке

Сравнение КПД импульсных и линейных блоков питания

Импульсные блоки питания обладают существенно более высоким КПД по сравнению с линейными:

• КПД импульсных блоков питания: 80-95%
• КПД линейных блоков питания: 30-60%

Преимущества импульсных блоков питания по КПД:

• Меньшие потери энергии при преобразовании
• Более низкое тепловыделение
• Меньшие габариты и вес
• Возможность работы в широком диапазоне входных напряжений

Влияние КПД на экономию электроэнергии

Высокий КПД импульсных блоков питания позволяет существенно снизить потребление электроэнергии:

• При КПД 80% теряется 20% энергии
• При КПД 90% теряется только 10% энергии
• Разница в 10% КПД дает экономию до 50% на потерях энергии

Для мощных устройств и систем с длительным временем работы это обеспечивает значительную экономию на электроэнергии в долгосрочной перспективе.

Заключение

Высокий КПД является одним из ключевых преимуществ современных импульсных блоков питания. Он обеспечивает высокую энергоэффективность, низкое тепловыделение, компактность и надежность. При выборе блока питания следует обращать внимание на значение КПД при различных нагрузках и наличие сертификации 80 PLUS. Это позволит подобрать оптимальное решение с точки зрения эффективности и экономичности.

КПД — коэффициент полезного действия. КПД в блоках питания компьютера, на что влияет? 80 PLUS сертификация блоков питания.

Коэффициент полезного действия (КПД, PSU Efficiency — eng.) — параметр, обозначающий, насколько эффективно блок питания может преобразовывать энергию для нужд комплектующих. Измеряется в процентах и чем больше к 100% стремится тем выше эффективность.

 

Что такое КПД блока питания.

Блок питания является импульсным преобразователем, который предварительно преобразует переменный ток в постоянный. Переменный ток фильтруется, проходит через фильтры, трансформаторы и другие преобразователи. При этом преобразовании, теряется часть энергии с электромагнитными гармониками, сопротивлением элементов и соответственно с теплом. Если сравнить входящую мощность и выходящую, выходящая будет всегда меньше. Соотношение входящей и выходящей энергии и есть КПД.

По уровню коэффициента полезного действия, можно судить о качестве элементной базы в блоке питания, так как для достижения высоких значений, применяются более дорогие и качественные компоненты. Производителями БП, применяются новые технологии для увеличения уровня КПД. Например учетверённые и двойные трансформаторы, электронные системы управления током и защитой, в конце концов качественная пайка для меньшего сопротивления.

Плюсы от высокого уровня КПД.

1. Высокий коэффициент полезного действия экономит электроэнергию, что может лучшим способом сказаться на счетах за электричество. В единичном случае, экономия не большая, но в долгосрочной перспективе вы получите неплохую экономию. К тому же, если ваш компьютер потребляет значительное количество энергии, выигрыш от высокого КПД будет выше.

В организациях, где компьютеров 50 и более, высокий КПД сэкономит значительное количество средств за электроэнергию и поможет сэкономить на электрооборудовании питающей сети, благодаря меньшей необходимой мощности.

2. Высокий КПД, в итоге уменьшает нагрев компонентов внутри блока питания, благодаря меньшим потерям по току и как следствие меньшее преобразование электроэнергии в тепловую энергию. Это позволяет снизить частоту работы вентилятора и уменьшить шум. Но главное, что при более благоприятных условиях работы, большинство компонентов блока питания служат намного дольше. В частности, это касается силовых цепей и конденсаторов (электролитов), которые не терпимы к постоянным перегревам.

3. Более качественные компоненты в блоке питания с высоким КПД. Для увеличения КПД, используются качественные компоненты и надёжная пайка. Это тоже увеличивает срок службы блока питания и все его характеристики: уровень пульсаций, поддержание нужного напряжения, возможность отдачи энергии, влияние линий питания друг на друга.

 

Стандарт 80 PLUS. Что это такое?

Блоки питания, получившие 80 PLUS сертификат, должны выдавать коэффициент полезного действия не ниже определённого уровня при нагрузке от 20 до 100%. Сертификаты отличаются по процентному показателю и названию, от худшего к лучшему — Plus, Bronze, Silver, Gold, Platinum и не так давно введённый Titanium.

Примечательно, что сертификация имеет разные процентные показатели для разных напряжений. Применяются разные процентные значения при работе от 115 (Америка) и 230 вольт (Европа).

Наличие любого из этих сертификатов, говорит о довольно качественной элементной базе и чем выше стандарт, тем выше качество блока питания. Для домашнего использования, достаточно иметь блок питания со стандартом Bronze или Silver. Далее, процентный рост КПД растёт значительно медленнее, в отличии от цены на такие БП.

Кпд импульсного блока питания

Что нового? Если это ваш первый визит, рекомендуем почитать справку по сайту. Для того, чтобы начать писать сообщения, Вам необходимо зарегистрироваться. Для просмотра сообщений регистрация не требуется. Забыли пароль? Показано с 1 по 7 из 7.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение
• Импульсный или линейный источник питания?
• 36 Вольт 10 Ампер 360 Ватт или продолжаем изучать как устроены блоки питания + небольшой бонус
• Компьютерный блок питания
• БЛОКИ ПИТАНИЯ
• Импульсный источник питания
• Импульсный блок питания или линейный: какой выбрать?
• БП 12В 2А как это сделано? Блок питания 12в 2а схема
• Импульсный и аналоговый блоки питания, принципы работы и основные отличия

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Чем отличается импульсный блок питания от линейного или all-audio. pro измерить КПД.

Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

Электрика и электрооборудование, электротехника и электроника — информация! Практически в каждом электронном приборе есть блок питания — важный элемент монтажной схемы. Блоки применяются в устройствах, требующих пониженного питания. Базовой задачей блока питания считается уменьшение сетевого напряжения. Первые импульсные блоки питания сконструированы после изобретения катушки, которая работала с переменным током. Применение трансформаторов дало толчок развития блоков питания.

После выпрямителя тока осуществляется выравнивание напряжения. В блоках с преобразователем частоты этот процесс проходит по-другому. В импульсном блоке основу составляет инверторная система. После выпрямления напряжения образуются прямоугольные импульсы с высокой частотой, подаются на фильтр выхода низкой частоты. Рассеивание энергии от импульсного блока не происходит. От линейного источника идет рассеивание на полупроводниках транзисторах. Его компактность и малый вес также дает превосходство над трансформаторными блоками при одинаковой мощности, поэтому часто линейные блоки заменяют импульсными.

Работа ИБП простой конструкции следующая. Если входной ток является переменным, как в большинстве бытовых приборах, то сначала происходит преобразование напряжения в постоянное. Некоторые конструкции блоков имеют переключатели, удваивающие напряжение.

Это делается для того, чтобы подключаться к сети с разным номиналом напряжения, например, и вольт. Выпрямитель выравнивает переменное напряжение и на выходе отдает постоянный ток, который поступает в фильтр конденсаторов.

Ток от выпрямителя выходит в виде малых импульсов высокой частоты. Сигналы обладают высокой энергией, за счет которой снижается коэффициент мощности трансформатора импульсов. Благодаря этому габариты импульсного блока небольшие. Чтобы скорректировать уменьшение мощности в новых блоках питания применяют схему, в которой ток на входе получается в виде синуса. По такой схеме смонтированы блоки в компьютерах, видеокамерах и других устройствах. Импульсный блок работает от постоянного напряжения, проходящего через блок, не изменяясь.

Такой блок называют обратноходовым. Для выпрямителя такая схема вредна, так как половина диодов не используется в работе, это вызывает перегрев рабочей части выпрямителя. Долговечность в этом случае снижается. После выпрямления напряжения сети в действие вступает инвертор, который преобразовывает ток. Пройдя через коммутатор, имеющий большую энергию выхода, из постоянного получается переменный ток. С обмоткой трансформатора в несколько десятков витков и частотой сотни герц блок питания работает в качестве усилителя низкой частоты, она получается больше 20 кГц, она не доступна слуху человека.

Коммутатор изготовлен на транзисторах с многоступенчатым сигналом. Такие транзисторы имеют низкое сопротивление, высокую возможность прохода токов.

В сетевых блоках вход и выход изолируют между собой, в импульсных блоках ток применяется для первичной обмотки высокой частоты.

На вторичной обмотке трансформатор создает нужное напряжение. Далее напряжение сглаживается фильтром, в него входят конденсатор, дроссель.

Для частот коммутации выше требуются составляющие с малой индуктивностью и емкостью. В простой схеме ИБП вместо трансформатора применен дроссель. Это преобразователи для понижения или повышения напряжения, относятся к самому простому классу, применяется один переключатель и дроссель. Простой ИБП может состоять из трансформаторов малых размеров, так как при повышении частоты эффективность трансформатора выше, требования к размерам сердечника меньше.

Такой сердечник изготовлен из ферромагнитных сплавов, а для низкой частоты используется сталь. Напряжение в блоке питания стабилизируется путем обратной связи отрицательной величины. Осуществляется поддержка напряжения выхода на одном уровне, не зависит от нагрузки и входных колебаний. Обратная связь создается разными методами. Если в блоке есть гальваническая развязка от сети, то применяется связь одной обмотки трансформатора на выходе или с помощью оптрона.

Если развязка не нужна, то используют простой резистивный делитель. За счет этого напряжение выхода стабилизируется. Принцип действия осуществлен на активном преобразовании напряжения. Для удаления помех ставят фильтры в конце и начале цепи. Насыщение транзисторов положительно отражается на диодах, имеется регулировка напряжения. Встроенная защита блокирует короткие замыкания.

Кабели питания применены немодульной серии, мощность достигает ватт. В корпусе установлен вентилятор охлаждения, скорость вентилятора регулируется. Наибольшая нагрузка блока составляет 23 ампера, сопротивление 3 Ом, наибольшая частота 5 герц.

Импульсные блоки питания применяются в источниках бесперебойного питания, усилителях, приемниках, телевизорах, зарядных устройствах, для низковольтных линий освещения, компьютерной, медицинской технике и других различных приборах, и устройствах широкого назначения.

Уменьшенная масса и размеры связано с применением элементов с радиаторами охлаждения линейного режима, импульсного регулирования вместо тяжелых трансформаторов. Емкость конденсаторов уменьшена за счет увеличения частоты. Схема выпрямления стала проще, самая простая схема — однополупериодная. У трансформаторов низкой частоты теряется много энергии, рассеивается тепло во время преобразований.

В ИБП максимальные потери возникают при переходных процессах коммутации. В другое время транзисторы устойчивы, они закрыты или открыты. Стоимость ИБП снижена из-за унификации элементов широкого ассортимента на роботизированных предприятиях. Силовые элементы из управляемых ключей состоят из полупроводников меньшей мощности.

Технологии импульсов дают возможность применять сеть питания с разной частотой, что расширяет применение блоков питания в различных сетях энергии. Модули на полупроводниках с небольшими габаритами с цифровой технологией имеют защиты от короткого замыкания и других аварий. Импульсные блоки питания функционируют с помощью преобразования импульсов высокой частоты, создают помехи, уходящие в окружающую среду. Возникает необходимость подавления и борьбы с помехами разными методами. Иногда подавление помех не дает эффекта, и применение импульсных блоков становится невозможным для некоторых типов устройств.

Импульсные блоки питания не рекомендуется подключать как с низкой нагрузкой, так и с высокой. Если на выходе резко упадет ток ниже установленного предела, то запуск может оказаться невозможным, а питание будет с искажениями данных, которые не подходят к диапазону работ.

Информационно-познавательный сайт. Публикация материалов сайта возможна только после разрешения администратора и при указании полной активной ссылки на источник. Ру Электрика и электрооборудование, электротехника и электроника — информация!

Импульсный или линейный источник питания?

В настоящее время источники вторичного электропитания находят свое применение в различных областях техники. Зачастую перед конструкторами и инженерами встает вопрос: — какой источник вторичного электропитания использовать для той или иной задачи: импульсный или линейный? Множество технических специалистов и потребителей с опытом до сих пор относятся с опаской к импульсным источникам питания , так как еще в е годы прошлого столетия происходило множество отказов отечественной и импортной техники. Также одной из причин негативного отношения к импульсным источникам питания является тот факт, что данные источники вторичного питания могут создавать высокочастотный шум. На сегодняшний день вся бытовая техника, видео и аудио аппаратура, компьютерная техника оснащена импульсными источниками питания.

Кроме того импульсные БП имеют больший КПД, потому в последнее время получили большое распространение, хотя «железные».

36 Вольт 10 Ампер 360 Ватт или продолжаем изучать как устроены блоки питания + небольшой бонус

Карта действует как при покупке в интернет, так и в розничных магазинах. Полные условия программы. Адреса магазинов Прайс-лист Скидки, акции, бонусы Оплата и доставка. Вход Регистрация Для партнёров. Адреса магазинов Москва. Интернет-магазин — 24 ч. Бабушкинская м. Владыкино — 24 ч.

Компьютерный блок питания

Наверно ни для кого не секрет, что большинство специалистов, радиолюбителей и просто технически грамотных покупателей источников питания с опаской относятся к импульсным блокам питания, отдавая предпочтение линейным. Причина проста и понятна. Репутация импульсных блоков питания серьезно подорвана еще в х годах, во времена массовых отказов отечественных цветных телевизоров, низкокачественной импортной видеотехники, оснащенных первыми импульсными блоками питания. Что мы имеем на сегодняшний день? Практически во всех современных телевизорах, видеоаппаратуре, бытовой технике, компьютерах используются импульсные блоки питания.

В некоторой степени блок питания также выполняет функции стабилизации и защиты от незначительных помех питающего напряжения. Как компонент, занимающий значительную часть внутри корпуса компьютера, несёт в своём составе либо монтируемые на корпусе БП компоненты охлаждения частей внутри корпуса компьютера.

БЛОКИ ПИТАНИЯ

Регистрация Вход. Ответы Mail. Вопросы — лидеры Роботы уничтожат ваши рабочие места? А разве понятие «эфир» можно всерьёз рассматривать в электронике? Задача по физике 1 ставка.

Импульсный источник питания

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых постах. Что за осцил такой интересный? Какая частота выборки? Причем, чем мощнее трансформатор, тем выше его КПД.

Потребляемый импульсным источником ток не является синусоидальным. Поэтому .. Поэтому и КПД у импульсных БП такой высокий.

Импульсный блок питания или линейный: какой выбрать?

Корзина покупок. Какой выбрать блок питания: импульсный или линейный? Большинство технических специалистов и покупателей с опытом, отнесутся с опаской, к импульсным блокам питания, еще в е года, была серьезна подорвана репутация, начало пошло от массовых отказов работы, отечественных цветных телевизоров и импортной видеотехники, оснащенные импульсным блоком питания.

БП 12В 2А как это сделано? Блок питания 12в 2а схема

В общем случае — нет. К каждому моточному — свой подход. Иногда полезнее бывает рядовая намотка в один слой. Якобы помогают резонансные схемы, когда переключение происходит при нуле тока или напряжения на ключе. Нон-диссипативные снабберы, возвращающие накопленную паразитную энергию в первичный источник. Если речь идет о финансовых затратах, то волноваться особо нечего.

Блок становится управляемым, с гибко подстраиваемыми параметрами. Уменьшается масса самой тяжелой части источника — трансформатора.

Импульсный и аналоговый блоки питания, принципы работы и основные отличия

Отправить комментарий. Блоки питания. Постоянные читатели. Архив блога февраля 2 января 1. Виды блоков питания. На сегодняшний день существует два типа блоков питания, это трансформаторные блоки питания и импульсные блоки питания.

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые трансформаторные блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:. Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства.

Линейный регулируемый источник питания в сравнении с импульсным источником питания | ОРЕЛ

Бытовым электронным устройствам, особенно имеющим интегральные схемы, требуется надежный источник постоянного напряжения, который может обеспечивать питание в любое время без каких-либо сбоев. В этом блоге мы рассмотрим две топологии конструкции источников питания, которые следует рассмотреть для вашего следующего проекта: линейные регулируемые и импульсные источники питания. Выбранный вами источник питания в конечном итоге зависит от ваших требований к эффективности, занимаемому месту, регулированию мощности, переходному времени отклика и стоимости.

Линейный регулируемый источник питания

Линейные регуляторы

были предпочтительными источниками питания до 1970-х годов для преобразования переменного тока (AC) в устойчивый постоянный ток (DC) для электронных устройств. Несмотря на то, что сегодня этот тип источника питания не используется так широко, он по-прежнему является лучшим выбором для приложений, требующих минимального уровня шума и пульсаций.

Пусть они и громоздкие, но линейные регулируемые блоки питания бесшумны. (Источник изображения)

Как они работают

Основным компонентом, обеспечивающим работу линейного регулятора, является стальной или железный трансформатор. Этот трансформатор выполняет две функции:

• Он действует как барьер, отделяющий вход переменного тока высокого напряжения от входа постоянного тока низкого напряжения, который также отфильтровывает любые помехи, попадающие в выходное напряжение.
• Он снижает входное напряжение переменного тока со 115 В/230 В примерно до 30 В, которое затем можно преобразовать в постоянное напряжение постоянного тока.

Переменное напряжение сначала понижается трансформатором, а затем выпрямляется несколькими диодами. Затем оно сглаживается до низкого постоянного напряжения парой больших электролитических конденсаторов. Это низкое постоянное напряжение затем регулируется как постоянное выходное напряжение с использованием транзистора или интегральной схемы.

Вот блок питания с линейным стабилизатором. (Источник изображения)

Регулятор напряжения в линейном блоке питания работает как переменный резистор. Это позволяет изменять значение выходного сопротивления в соответствии с требованиями к выходной мощности. Поскольку регулятор напряжения постоянно сопротивляется току для поддержания напряжения, он также действует как рассеивающее устройство. Это означает, что полезная мощность постоянно теряется в виде тепла для поддержания постоянного уровня напряжения.

Трансформатор уже является крупным компонентом на печатной плате (PCB). Из-за постоянной мощности и тепловыделения блоку питания с линейным регулятором потребуется радиатор. Только эти два компонента делают устройство очень тяжелым и громоздким по сравнению с небольшим форм-фактором импульсного источника питания.

Предпочтительные приложения

Линейные регуляторы

известны своей низкой эффективностью и большими размерами, но они обеспечивают бесшумное выходное напряжение. Это делает их идеальными для любого устройства, требующего высокой частоты и низкого уровня шума, например:

• Цепи управления
• Малошумящие усилители
• Сигнальные процессоры
• Автоматизированное и лабораторное испытательное оборудование
• Датчики и схемы сбора данных

Преимущества и недостатки

Источники питания с линейной стабилизацией

могут быть громоздкими и неэффективными, но их низкий уровень шума идеально подходит для приложений, чувствительных к шуму. Некоторые преимущества и недостатки, которые следует учитывать для этой топологии, включают:

Преимущества

• Простое приложение . Линейные регуляторы могут быть реализованы в виде целого пакета и добавлены в схему только с двумя дополнительными фильтрующими конденсаторами. Это позволяет инженерам любого уровня подготовки с легкостью планировать и проектировать их с нуля.
• Низкая стоимость . Если вашему устройству требуется выходная мощность менее 10 Вт, то затраты на компоненты и производство намного ниже по сравнению с импульсными источниками питания.
• Низкий уровень шума/пульсаций . Линейные стабилизаторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения и широкую полосу пропускания. Это делает их идеальными для любых чувствительных к шуму приложений, включая устройства связи и радио.

Недостатки

• Ограниченная гибкость . Линейные регуляторы можно использовать только для понижения напряжения. Для источника питания переменного/постоянного тока трансформатор с выпрямлением и фильтрацией необходимо будет разместить перед линейным источником питания, что увеличит общие затраты и усилия.
• Ограниченные выходы . Источники питания с линейной стабилизацией обеспечивают только одно выходное напряжение. Если вам нужно больше, вам нужно будет добавить отдельный линейный регулятор напряжения на требуемый выход.
• Низкая эффективность . Среднее линейное регулируемое устройство достигает КПД 30-60% за счет рассеивания тепла. Это также требует добавления радиатора, который увеличивает размер и вес устройства.

В наше время энергоэффективных устройств низкий рейтинг эффективности линейного регулируемого источника питания может стать причиной сделки. Обычный блок питания с линейной стабилизацией будет работать с КПД около 60% при выходном напряжении 24 В. Когда вы рассматриваете входную мощность 100 Вт, вы видите 40 Вт потерянной мощности.

Прежде чем рассматривать возможность использования источника питания с линейной стабилизацией, мы настоятельно рекомендуем учитывать потери мощности, которые вы получите на пути от входа к выходу. Вы можете быстро оценить эффективность линейного регулятора по следующей формуле:

Импульсный источник питания (SMPS)

Импульсные источники питания были представлены в 1970-х годах и быстро стали самым популярным способом питания электронных устройств постоянным током. Что делает их такими замечательными? По сравнению с линейными регуляторами выделяются их высокая эффективность и производительность.

Типичный адаптер переменного тока включает блок питания с режимом переключения. (Источник изображения)

Как они работают

Импульсный источник питания регулирует выходное напряжение с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Этот процесс создает высокочастотный шум, но обеспечивает высокую эффективность при небольшом форм-факторе. При подключении к сети переменного тока 115 В или 230 В переменного тока сначала выпрямляются и сглаживаются набором диодов и конденсаторов, что обеспечивает высокое постоянное напряжение. Это высокое постоянное напряжение затем понижается с помощью небольшого ферритового трансформатора и набора транзисторов. Процесс понижения по-прежнему сохраняет высокую частоту переключения между 200 кГц и 500 кГц.

Низкое постоянное напряжение, наконец, преобразуется в постоянный постоянный ток с помощью другого набора диодов, конденсаторов и катушек индуктивности. Любая регулировка, необходимая для поддержания постоянного выходного напряжения, выполняется путем регулировки ширины импульса высокочастотного сигнала. Этот процесс регулирования работает через цепь обратной связи, которая постоянно отслеживает выходное напряжение и при необходимости регулирует коэффициент включения/выключения ШИМ-сигнала.

Вот импульсный блок питания с гораздо большим количеством деталей, чем с линейным регулированием. (Источник изображения)

Предпочтительные приложения

Вы чаще всего найдете импульсные блоки питания, используемые в приложениях, где важны срок службы батареи и температура, например:

• Электролиз, переработка отходов или применение топливных элементов
• Двигатели постоянного тока, игровые автоматы, авиация и судостроение
• Научно-исследовательское, производственное и испытательное оборудование
• Зарядка аккумуляторов для литий-ионных аккумуляторов, используемых в авиации и транспортных средствах
• Процессы гальваники, анодирования и гальванопластики

Преимущества и недостатки

Импульсные источники питания могут иметь более высокий КПД, чем линейные регуляторы, но их шум делает их плохим выбором для приложений радиосвязи и связи. Некоторые преимущества и недостатки, которые следует учитывать для этой топологии, включают:

Преимущества

• Малый форм-фактор . Понижающий трансформатор в SMPS работает на высокой частоте, что, в свою очередь, уменьшает его объем и вес. Это позволяет импульсному источнику питания иметь гораздо меньший форм-фактор, чем линейный стабилизатор.
• Высокая эффективность . Регулирование напряжения в импульсном источнике питания осуществляется без отвода избыточного количества тепла. Эффективность SMPS может достигать 85%-90%.
• Гибкие приложения . Дополнительные обмотки могут быть добавлены к импульсному источнику питания, чтобы обеспечить более одного выходного напряжения. Импульсный источник питания с трансформаторной изоляцией также может обеспечивать выходное напряжение, которое не зависит от входного напряжения.

Недостатки

• Сложная конструкция . По сравнению с линейными регуляторами планирование и проектирование импульсных источников питания обычно предназначено для специалистов по энергетике. Это не лучший источник питания для выбора, если вы планируете разработать свой собственный без тщательного изучения или опыта.
• Высокочастотный шум . Переключение МОП-транзистора в импульсном источнике питания приводит к появлению высокочастотных помех в выходном напряжении. Это часто требует использования радиочастотного экранирования и фильтров электромагнитных помех в устройствах, чувствительных к шуму.
• Более высокая стоимость . Для более низкой выходной мощности 10 Вт или менее дешевле использовать блок питания с линейной стабилизацией.

Импульсные блоки питания никуда не денутся и являются предпочтительным источником питания для приложений, не чувствительных к шуму. Сюда входят такие устройства, как зарядные устройства для мобильных телефонов, двигатели постоянного тока и многое другое.

Сравнение линейного регулятора

и SMPS

Теперь мы рассмотрим окончательное сравнение между линейными регулируемыми и импульсными источниками питания при их параллельном сравнении. Некоторые из наиболее важных требований, которые необходимо учитывать, включая размер/вес, диапазон входного напряжения, рейтинг эффективности и уровень шума среди других факторов. Вот как это происходит:

Как спроектировать свой собственный В этом блоге нет возможности объяснить, как спроектировать линейный регулируемый или импульсный источник питания. Тем не менее, есть несколько руководств, которыми мы хотели бы поделиться. Имейте в виду, что проектирование SMPS требует высокого уровня сложности и не рекомендуется для новичков в области проектирования электроники. Руководства по проектированию линейных регулируемых источников питания

• Руководство Джона Эррингтона по проектированию блоков питания
• Университет Невады, Лас-Вегас, проект линейного источника питания
• Инструкция по проектированию регулируемого линейного источника питания постоянного тока

Руководства по проектированию импульсных источников питания

• 7 важных шагов при проектировании импульсного источника питания
• Справочное руководство полуимпульсного источника питания ON
• Учебники по электронике Импульсный блок питания

Power OnБольшинство электронных устройств в наши дни должны преобразовывать сеть переменного тока в стабильное выходное напряжение постоянного тока. Для этой цели следует рассмотреть две топологии: линейные регулируемые и импульсные источники питания. Линейное регулирование идеально подходит для приложений, требующих низкого уровня шума, в то время как импульсные источники питания лучше подходят для портативных устройств, где важно время автономной работы и эффективность. При принятии решения о том, какую топологию выбрать, всегда учитывайте требуемый рейтинг эффективности, форм-фактор, выходную стабилизацию и требования к шуму. Готовы спроектировать свой первый линейный регулируемый или импульсный источник питания? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

	Источники питания с линейным регулированием	Импульсные источники питания
Размер	Линейный блок питания 50 Вт, обычно 3 x 5 x 5,5 дюйма	Импульсный источник питания 50 Вт, обычно 3 x 5 x 1 дюйм
Вес	Линейный блок питания 50 Вт — 4 фунта	Импульсный источник питания 50 Вт – 0,62 фунта
Диапазон входного напряжения	105 – 125 В переменного тока и/или 210–250 В переменного тока	90–132 В переменного тока или 180–264 В переменного тока без PFC 90–264 В переменного тока с PFC
Эффективность	Обычно 40%-60%	Обычно 70%-85%
ЭМИ	Низкий	Высокий
Утечка	Низкий	Высокий
Схема	Умеренная сложность, можно использовать с направляющими	Высокая сложность, требуются специальные знания
Регулирование нагрузки	от 0,005% до 0,2%	от 0,05% до 0,5%
Регулирование линии	от 0,005% до 0,05%	от 0,05% до 0,2%
Количество деталей	Низкий, требуется только регулятор и фильтрация ввода/вывода	Высокий, требуется переключатель, снаббер, трансформатор, конденсаторы, цепь обратной связи и т. д.

Уровни эффективности различных источников питания

Пытаетесь найти подходящий источник питания для вашей схемы? Давайте обсудим некоторые из распространенных блоков питания, доступных на рынке.

Когда вы ищете настольный источник питания, вы, скорее всего, будете искать либо SMPS (импульсный источник питания), либо линейный источник питания. Оба они представляют собой источники питания постоянного тока, основанные на разных технологиях. Прежде чем мы углубимся в эти популярные источники питания, давайте сначала посмотрим на очень простой источник напряжения на стабилитроне.

Регулятор напряжения на стабилитроне

Регулятор напряжения на стабилитроне настолько прост и при этом так удобен — вы можете установить его прямо в своей лаборатории, и все готово.

Когда стабилитрон проводит ток в обратном направлении, напряжение на стабилитроне остается примерно равным обратному напряжению пробоя независимо от тока. Таким образом, вы получаете очень стабильное напряжение на стабилитроне с обратным смещением. В стабилизаторе напряжения на стабилитроне стабилитрон подключается к источнику напряжения через сопротивление. Это сопротивление необходимо для ограничения тока Зенера до безопасных значений. Теперь подключите нагрузку к стабилитрону и вуаля! У вас есть постоянное регулируемое напряжение на нагрузке.

Стабилизатор Зенера является хорошим элементарным и недорогим источником питания для вашей схемы, но он имеет определенные ограничения. Когда вы подключаете нагрузку к стабилитрону, падение напряжения на нагрузочном резисторе должно быть больше, чем напряжение колена стабилитрона, чтобы гарантировать, что диод всегда остается смещенным в обратном направлении. Выполнение простых расчетов Thevenin может дать вам требуемое минимальное сопротивление нагрузки R _L(min) .

Рисунок 1: Расчет R _{л (мин)}

Максимальное значение сопротивления нагрузки также ограничено. Когда сопротивление нагрузки R _L максимально, ток нагрузки I _L минимален (I _L(min) ). При фиксированном токе источника избыточный ток протекает через стабилитрон в виде стабилитрона. Чем выше сопротивление нагрузки, тем больше ток Зенера. Для соблюдения номинального тока стабилитрона сопротивление нагрузки не должно превышать R _L(max) .

R _L(max) также можно найти, как показано ниже:

Рисунок 2: Расчет R _L(макс.)

Если ваша нагрузка соответствует диапазону допустимых изменений сопротивления нагрузки, вы наверняка можете использовать стабилизатор напряжения на стабилитроне в качестве источника питания. Этот регулятор наиболее эффективен, когда ток через стабилитрон минимален, что происходит, когда сопротивление нагрузки близко к RL(min). Несмотря на это, эффективность стабилизатора напряжения Зенера всегда низкая из-за потерь мощности в последовательном сопротивлении.

Переход на более сложные источники питания. Линейные источники питания и SMPS (импульсные источники питания) являются наиболее популярными вариантами на рынке.

Оба этих источника питания существуют уже давно, и у обоих есть свои плюсы и минусы. На самом деле выбор между ними — обычная проблема, с которой сталкиваются инженеры.

Линейный источник питания

Линейный источник питания представляет собой типичный преобразователь переменного тока в постоянный с компонентами фильтра и регулирования. Блок-схема линейного источника питания показана на рисунке ниже:

Рисунок 3: Линейный источник питания

Входной переменный ток подается на понижающий трансформатор, а затем выпрямляется. Затем это выпрямленное напряжение подается на фильтрующий конденсатор, который выдает постоянное напряжение с пульсациями. Блок регулятора напряжения используется для устранения пульсаций. Затем это сглаженное напряжение подается на выходной конденсатор, который дополнительно сглаживает выходное напряжение — после всего этого сглаживания выходное напряжение почти такое же чистое, как если бы оно было от батареи.

Блок регулятора напряжения состоит из проходного транзистора и стабилитрона. Проходной транзистор всегда включен, вызывая значительное падение напряжения в открытом состоянии и связанные с этим потери мощности. По этим причинам КПД линейного источника питания составляет от 40% до 50%. Линейные источники питания также поставляются в варианте, в котором регулятор напряжения использует регулирование LDO (с малым падением напряжения). Эти варианты имеют меньшие потери мощности в блоке регулятора напряжения, следовательно, более высокий КПД — около 60-70%. Недостатком стабилизаторов типа LDO является то, что характеристики максимального входного напряжения уменьшаются, и LDO приходится стабилизировать с помощью внешних конденсаторов, что приводит к увеличению сложности схемы источника питания.

Помимо эффективности, есть еще одна проблема. Трансформатор в линейном блоке питания рассчитан на стандартный переменный ток 60 Гц — трансформатор для такой низкой частоты относительно велик — блок питания становится больше и тяжелее. На самом деле линейные блоки питания весят примерно в 4-5 раз больше, чем импульсные блоки питания при тех же требованиях к мощности.

Положительным моментом является то, что линейные источники питания невосприимчивы к высокочастотным шумам и электромагнитным помехам. Они также демонстрируют превосходную переходную характеристику — выходные параметры быстро восстанавливаются при изменении нагрузки. Благодаря этим преимуществам они хорошо подходят для таких приложений, как медицинское оборудование и схемы аудиоусилителей. По сравнению с SMPS они также дешевле и создают меньше электромагнитных помех.

Импульсные источники питания

Импульсные источники питания (SMPS) представляют собой высокоэффективные, широко используемые компактные источники питания. Схема смонтирована на шасси меньшего размера, а блок питания имеет меньший вес по сравнению с линейными блоками питания. Давайте посмотрим на упрощенную блок-схему SMPS.

Рисунок 4: Импульсный источник питания

Очевидно, что схема SMPS сложна. Входной переменный ток выпрямляется и подается на преобразователь постоянного тока. Переключатель в преобразователе обычно представляет собой полевой МОП-транзистор, который работает только в режимах малой рассеиваемой мощности МОП-транзистора — отсечки или насыщения. Это снижает потери мощности, связанные с переключением. Переключатель MOSFET управляется с использованием метода широтно-импульсной модуляции, который работает в диапазоне от 10 кГц до 200 кГц.

Выходной постоянный ток преобразователя постоянного тока подается на трансформатор. Из-за очень высокой частоты переключения размер трансформатора очень мал. Теперь понятно, почему SMPS такие компактные и легкие.

Как и в случае линейного источника питания, SMPS также имеет свои проблемы. SMPS генерируют высокочастотные шумы и создают электромагнитные помехи. Они вносят искажения в схемы усилителя, вызывающие гармонические искажения в линии питания. С положительной стороны, основным преимуществом, которое они приносят, является их высокая эффективность, которая может достигать 90%.