Линейные и импульсные источники питания. Линейные и точечные источники света

Лабораторный блок питания представляет собой востребованное среди профессионалов оборудование, которое активно используется инженерами, занимающимися разработкой и ремонтом различных электронных устройств. В настоящий момент существует огромное количество лабораторных источников питания . Число самых разных вариаций столь велико, что новичку будет непросто сориентироваться в таком многообразии оборудование. Чтобы выбрать оптимальный источник питания для определенных целей, рекомендуется разобраться в особенностях различных типов блоков, а уже после принимать решение о покупке.

Классификация лабораторных источников питания

Лабораторные источники питания можно классифицировать по самым разным параметрам. Наиболее популярный метод классификации – по принципу действия, в соответствии с которым все источники питания можно разделить на импульсные и линейные. Последние также называют трансформаторными.

Каждый из типов блоков имеет свои преимущества. Так, к примеру, импульсный блок питания характеризуется высоким коэффициентом полезного действия и значительно большей мощностью по сравнению с трансформаторными агрегатами. В тоже время линейный источник питания обладает такими достоинствами как простота и надежность конструкции, а также низкая стоимость ремонта и ценовая доступность запчастей.

Линейный блок питания

Традиционным блоком питания является линейный блок. Его конструкция состоит из автотрансформатора и понижающего трансформатора. Также имеется выпрямитель, который преобразует переменное напряжение в постоянное. Преимущественное большинство моделей укомплектовано выпрямителем, состоящим из одного или четырёх диодов, составляющих так называемые диодный мост. При этом есть и другие конструкционные схемы, но они используются гораздо реже. В некоторых моделях после выпрямителя может быть инсталлирован специальный фильтр, который стабилизирует колебания в сети. Как правило, эту функцию выполняет высокоемкостный конденсатор. В некоторых моделях предусмотрены фильтры высокочастотных помех, стабилизаторы тока и напряжения и многое другое. Простейший линейный блок питания, возможно, сделать своими руками, при этом, основным и самым дорогим компонентом является понижающий трансформатор – Т1.

Схема линейного блока питания

Среди мастеров, которые специализируются на ремонте и обслуживании электроники и радиотехники, самым востребованным линейным блоком питания считается модель с выходными характеристиками напряжения в регулируемом диапазоне 0-30 В и тока в диапазоне 0-5А, например - источник питания постоянного тока . Этот блок представляет собой высокоточный агрегат, с помощью которого можно легко и тонко настраивать параметры переменного тока и напряжения в установленных номинальных рамках. Оборудование функционирует в двойном режиме – цифровой индикатор одновременно показывает актуальные показатели напряжение и выходного тока. Кроме того, данная модель имеет режим защиты от короткого замыкания (кз), перегрузки по току и функцию самовосстановления.

Импульсный блок питания

В наши дни преимущественное большинство используемых блоков питания – это агрегаты импульсного типа. Эти блоки представляют собой фактически инверторную систему. Принцип их работы прост – происходит предварительное выпрямление входного напряжения, после чего оно преобразуется в импульсы с увеличенной частотой и необходимыми параметрами скважности. В импульсных блоках питания используются небольшие трансформаторы, которых более чем достаточно, поскольку увеличение частоты повышает эффективность трансформатора, а значит нет необходимости в больших габаритах. Нередко сердечник трансформатора изготавливается из ферромагнитных материалов, что, помимо всего прочего, существенно облегчает конструкцию.

Что же обеспечивает стабилизацию напряжения? Эту функцию берёт на себя отрицательная обратная связь, которая поддерживает выходное напряжение на одном уровне. При этом не учитывается величина нагрузки и колебания входного напряжения. Импульсный блок питания, также возможно сделать, своими руками, но в этом случае основными компонентами являются, линейный регулятор - LM7809, либо ШИМ контроллер TL494, а также импульсный трансформатор Т1.

Схема простого импульсного блока питания

На свете есть столь серьезные вещи,
что говорить о них можно только шутя.

Нильс бор

Введение

Источники питания, которые вы используете для подключения ноутбука к сети 220В, к примеру, называются вторичными источниками питания. Вторичными они называются потому, что первичным источником питания будет генератор на электростанции, который вырабатывает ток, текущий по городским электросетям или химический элемент питания. Все источники питания можно грубо разделить так, как показано на диаграмме ниже.

Первичные источники питания

Первичные источники питания − это преобразователи неэлектрических видов энергии в электрическую. Например, ГЭС, ветрогенераторы, солнечные панели, химические источники тока, аккумуляторы, бензогенераторы и т.д. Первичными источниками занимаются в основном энергетики и производители всяких аккумуляторов. Мне они не сильно интересны, к примеру. Или интересны... Да, солнечные и геотермальные источники энергии мне интересны!

Вторичные источники питания

Вторичные же источники питания сами по себе не производят электроэнергию, они просто её преобразуют. Например, источник питания ноутбука преобразовывает переменное напряжение 220В в постоянное напряжение 19.2В.

Вторичные источники требуются, чтобы обеспечить устройствам заданные параметры напряжения, тока, пульсаций напряжения питания, частоты. Мы же не льем нефть в бензобак? Так и электронные устройства удобней и безопасней питать правильно.

Линейные источники питания

Так они называются за счет принципа работы. Дело в том, что регулирование выходного напряженния в них непрерывное, т.е. линейное. Эти источники питания появились в мире первыми. И строятся по классической схеме: трансформатор, выпрямитель, фильтр, стабилизатор:

На блок-схеме изображен стабилизированный линейный источник питания. Это значит, что он построен таким образом, чтобы поддерживать заданное напряжение, даже если прибор, подключенный к нему, будет кушать от него ток то 1А, то 5А.

А есть ещё нестабилизированные линейные источники питания. Если закрыть рукой на блок-схеме прямоугольник "стабилизатор", то получится именно такой ИП. Вот в нём при разной нагрузке напряжение на его выходе может слегка (ил в особо плоих случаях совсем не слегка) изменяться (обычно оно уменьшается).

Трансформатор понижает напряжение сети до требуемого, затем выпрямитель из обычного переменного напряжения делает пульсирующее напряжение, которое затем сглаживается фильтром до состояния постоянного, а стабилизатор используется для того, чтобы поддерживать напряжение на нагрузке в требуемых нагрузкой пределах. К примеру, нагрузка питается напряжением в 10В +/- 0.2В -- тут уже нужен очень хороший источник питания с хорошей стабилизацией.

Преимущества

Их достаточно просто изготовить в домашних условиях, с хорошим фильтром выдают напряжение питания с малым уровнем пульсаций и соответственно не мешают работать устройствам, которые от них питаются. А также гальваническая развязка от сети.

Недостатки

Низкий КПД, который падает с ростом потребления тока. Дело в том, что чем больше потребляет устройство от линейного источника, тем сильнее в нем нагреваются регулирующие элементы (обычно либо транзисторы, либо специализированные микросхемы-стабилизаторы), а значит в атмосферу улетает прорва энергии в форме тепла. Другой минус линейных источников питания - вес. Хороший мощный трансформатор весит как гиря и имеет приличные габариты, да и цена у него достойная веса.

Ипульсные источники питания

Или иначе ИИП. Эти источники работают принципиально иначе чем линейные источники питания. При этом они могут при меньших габаритах питать значительно большие нагрузки. Принцип их работы основывается на ШИМ (широтно-импульсной модуляции).

Сначала в ИИП входное напряжение преобразуется в постоянное, а затем постоянное напряжение преобразуется в импульсы, идущие с определённой частотой и скважностью, а потом на трансформатор (для гальванической развязки сети и нагрузки) или сразу на нагрузку без всякой развязки.

На блок-схеме видно, что ИИП сложней устроены, чем линейные источники питания. Но их также всё еще можно собрать в домашних условиях. Или вообще переделать блок питания ATX PC. В сети полно таких примеров.

Преимущества

Малый вес, хороший КПД (до 90-98%), малые размеры. Обладает меньшей стоимостью, если сравнивать ИИП и линейный источник одинаковых характеристик. ИИП вокруг нас везде: зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров и ноутбуков, ламп, светодиодных лет и прочих устройств.

Недостатки

Часто не имеют гальванической развязки от сети. Являются источниками высокочастотных помех, которые полностью устранить практические невозможно. Так же поговаривают, что есть ограничение на минимальную мощность нагрузки. Дело в том, что при нагрузке меньше требуемой ИИП может просто не запуститься.

В следующей части я хочу показать конкретные примеры схематики источников питания, а может быть даже будем пошагово создавать линейный или импульсный источник питания. Добавляй запись в закладки (Ctrl+D) и подписывайся на рассылку!)

• Ревич. Занимательная электроника (главы про источники питания)
• Борисов. Энциклопедия юного радиолюбителя (главы про источники питания)
• Белопольский. Источники питания радиоустройств
• Санджай Маниктала. Импульсные источники питания от A до Z
• Семенов. Силовая электроника (импульсная)
• Раймонд Мэк. Импульсные источники питания
• Москатов Е.А. Источники питания
• Ефимов И.П. Источники питания РЭА
• Микросхемы для линейных источников питания и их применение (справочник)
• Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование
• Гейтенко. Источники вторичного электропитания

Большой радиолюбитель и конструктор программ

Наверное ни для кого не секрет, что большинство специалистов, радиолюбителей и просто технически грамотных покупателей блоков питания с опаской относятся к , оставляя предпочтение линейным.

Причина проста и понятна. Репутация импульсных блоков питания серьезно подорвана еще в 80-х годах, во времена массовых отказов отечественных цветных телевизоров, низкокачественной импортной видеотехники, оснащенных первыми импульсными модулями питания.

Что мы имеем на сегодняшний день? Практически во всех современных телевизорах, видеоаппаратуре, бытовой технике, компьютерах используются импульсные источники питания. Все меньше и меньше сфер применения линейных (аналоговых, параметрических) источников питания. сегодня в бытовой аппаратуре практически не найдешь. А стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на бурный прогресс электроники, преодоление стереотипов происходит очень медленно.

Недостатки источников питания

Давайте попробуем объективно посмотреть на сегодняшнее положение и попробуем изменить мнение специалистов. Рассмотрим «стереотипные» и присущие импульсным источникам питания недостатки: сложность, ненадежность, помехи.

Сложность

Да, они сложные, точнее сказать сложнее аналоговых, но намного проще компьютера или телевизора. Вам не нужно разбираться в их схемотехнике, так же как и в схемотехнике цветного телевизора. Оставьте это профессионалам. Для профессионалов там нет ничего сложного.

Недостатки источников питания - Ненадежность

Элементная база импульсных источников питания не стоит на месте. Современная комплектация, применяемая в источниках питания, позволяет сегодня с уверенностью сказать: ненадежность – это миф. В основном надежность блоков питания, как и любого другого оборудования, зависит от качества применяемой элементной базы. Чем дороже блок питания, тем дороже элементная база в нем. Высокая интеграция позволяет реализовать большое количество встроенных защит, которые порой недоступны в линейных источниках.

Недостатки источников питания - Помехи

Кроме этого, благодаря современным технологиям импульсные источники позволяют существенно сгладить пульсации сетевого напряжения.

А какие достоинства источников питания?

Достоинства источников питания - Высокий КПД (вплоть до 90-98%)

Высокий КПД связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом источнике это сетевой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В импульсном источнике нет ни того ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора – ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии минимальны.

КПД аналогового источника может быть порядка 50%, то есть половина его энергии (и ваших денег) уходит на нагрев окружающего воздуха, проще говоря, улетают на ветер.

Достоинства источников питания - Небольшой вес

Меньший вес за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса импульсного источника питания в разы меньше аналогового.

Достоинства источников питания - Меньшая стоимость

Спрос рождает предложение. Благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности сегодня мы имеем низкие цены силовой базы импульсных источников питания. Чем больше выходная мощность импульсного источника питания, тем дешевле стоит источник по сравнению со стоимостью аналогичного линейного источника.

Кроме того, главные компоненты аналогового источника (медь, железо трансформатора, радиаторы из алюминия) постоянно дорожают.

Достоинства источников питания - Надежность

Вы не ослышались, надежность. На сегодняшний момент импульсные источники питания надежнее линейных за счет наличия в современных блоках питаниях встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания, перегрузки, скачков напряжения, переполюсовки выходных цепей. Высокий КПД обуславливает меньшие теплопотери, что в свою очередь обуславливает меньший перегрев элементной базы источника, что так же является показателем надежности.

Достоинства источников питания - Требования к сетевому напряжению

Что творится в отечественных электросетях, вы наверно знаете не понаслышке. 220 Вольт в розетке скорее редкость, чем норма. А импульсные источники питания допускают широчайший диапазон питающего напряжения, недостижимого для линейного.

Типовой нижний порог сетевого напряжения для импульсного источника 90-110 Вольт, любой аналоговый источник при таком напряжении в лучшем случае «сорвется в пульсации» или просто отключиться.

Итог - какой источник питания выбрать?

Итак, импульсный или линейный? Выбор в любом случае за вами, мы лишь хотели помочь вам объективно взглянуть на импульсные источники питания и сделать правильный выбор. Только не забывайте, что качественный источник – это источник сделанный профессионально, на базе качественных комплектующих. А качество это всегда цена. Бесплатный сыр только в мышеловке. Впрочем последняя фраза в равной мере относится к любому источнику, и к импульсному и к аналоговому.

Отличаются предельной простотой и надежностью, отсутствием высокочастотных помех. Высокая степень доступности комплектующих и простота изготовления делает их наиболее привлекательными для повторения начинающими радио-конструкторами. Кроме того, в некоторых случаях немаловажен и чисто экономический расчет -- применение линейных ИП однозначно оправдано в устройствах, потребляющих до 500 мА, которые требуют достаточно малогабаритных ИП. К таким устройствам можно отнести:

• * зарядные устройства для аккумуляторов;
• * блоки питания радиоприемников, АОНов, систем сигнализации и т.д.

Некоторые конструкции, не требующие гальванической развязки с промышленной сетью, можно питать через гасящий конденсатор или резистор, при этом потребляемый ток может достигать сотен мА.

Эффективность и рациональность применения линейных ИП значительно снижается при токах потребления более 1 А. Причинами этого являются следующие явления:

• * колебания сетевого напряжения сказываются на коэффициенте стабилизации;
• * на входе стабилизатора приходится устанавливать напряжение, которое будет заведомо выше минимально допустимого при любых колебаниях напряжения в сети, а это значит, что когда эти колебания высоки. Необходимо устанавливать завышенное напряжение, что в свою очередь влияет на проходной транзистор (неоправданно большое падение напряжения на переходе, и как следствие -- высокое тепловыделение);
• * большой потребляемый ток требует применения габаритных радиаторов на выпрямляющих диодах и регулирующем транзисторе, ухудшает тепловой режим и габаритные размеры устройства в целом.

В настоящее время традиционные линейные источники питания все больше вытесняются импульсными. Однако, несмотря на это, они продолжают оставаться весьма удобным и практичным решением в большинстве случаев радиолюбительского конструирования (иногда и в промышленных устройствах). Причин тому несколько: во-первых, линейные источники питания конструктивно достаточно просты и легко настраиваются, во-вторых, они не требуют применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они значительно надежнее импульсных ИП.

Типичный линейный ИП содержит в своем составе:

• · сетевой понижающий трансформатор
• · диодный мост с фильтром
• · стабилизатор, который преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора.

Основным недостатком такой схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е. требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые для ИП в целом, например, для ИП мощностью 10 Вт требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.п.). Причиной этого является принцип по которому функционируют стабилизаторы линейных ИП. Он заключается в рассеивании на регулирующем элементе некоторой мощности.

Ppac = Iнагр * (Uвх - Uвых)

Из формулы (1) следует, что чем больше разница между входным и выходным напряжением стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на регулирующем элементе. С другой стороны, чем более нестабильно входное напряжение стабилизатора, и чем больше оно зависит от изменения тока нагрузки, тем более высоким оно должно быть по отношению к выходному напряжению. Таким образом видно, что стабилизаторы линейных ИП функционируют в достаточно узких рамках допустимых входных напряжений, причем эти рамки еще сужаются при предъявлении жестких требований к КПД устройства. Зато достигаемые в линейных ИП степень стабилизации и подавление импульсных помех намного превосходят другие схемы.

По размеру все источники света можно условно разбить на две группы:

точечные,

линейные.

Точечным называют такой источник света, размеры которого настолько малы по сравнению с расстоянием до приемника излучения, что ими можно пренебречь.

На практике за точечный источник света принимается такой, максимальный размер L которого по крайней мере в 10 раз меньше расстояния г до приемника излучения (рис.1).

Для таких источников излучения освещенность определяется по формуле Е = (I/r 2)· cosα ,

где Е,I - соответственно освещенность поверхности и сила света источника излучения; r - расстояние от источника света до фотоприемника; α - угол, на который фотоприемник переместился от нормали.

Рис. 1. Точечный источник света

Например, если лампа диаметром 10 см освещает поверхность на расстоянии 100 м, то эту лампу можно считать точечным источником. Но если расстояние от этой же лампы до поверхности будет 50 см, то лампу уже нельзя считать точечным источником. Типичный пример точечного источника света - звезда на небе. Размеры звезд огромны, но расстояние от них до Земли на много порядков больше.

Точечными источниками света в электрическом освещении считаются галогенные и светодиодные лампы для встраиваемых светильников. Светодиод является практически точечным источником света, так как его кристалл микроскопических размеров.

К линейным источникам излучения относят те излучатели, у которых относительные размеры по любому из направлений больше размеров точечного излучателя. По мере удаления от плоскости измерения освещенности относительные размеры такого излучателя могут достигнуть такого значения, при котором данный источник излучения превращается в точечный.

Примеры электрических линейных источников света: люминесцентные лампы, светодиодные RGB-ленты. Но, согласно определения, к линейным (протяженным) источникам света можно отнести все источники, которые не считаются точечными.

Если из точки, в которой расположен точечный источник излучения, отложить в различных направлениях в пространстве векторы силы света и через их концы провести поверхность, то получится фотометрическое тело источника излучения. Такое тело полностью характеризует распределение потока излучения в пространстве.

По характеру распределения силы света в пространстве точечные источники делятся также на две группы. Первую группу составляют источники с симметричным относительно некоей оси распределением силы света (рис. 2). Такой источник называется круглосимметричным.

Рис. 2. Модель симметричного излучателя

Если источник круглосимметричный, то его фотометрическое тело является телом вращения и может быть полностью охарактеризовано вертикальным и горизонтальным сечениями, проходящими через ось вращения (рис. 3).

Рис. 3. Продольная кривая распределения силы света симметричного источника

Вторую группу составляют источники с несимметричным распределением силы света. У несимметричного источника тело распределения силы света не имеет оси симметрии. Чтобы характеризовать такой источник, строят семейство продольных кривых силы света, соответствующих различным направлениям в пространстве, например через 30°, как на рис. 4. Обычно такие графики строят в полярных координатах.

Рис. 4. Продольные кривые распределения силы света нессиметричного источника