Источники питания их виды, плюсы и минусы

Эта статья общий экскурс в первичные и вторичные источники питания. В ней я расскажу о том, что такое источники питания и какие они бывают. Рассмотрим подробности типовых блоков из которых состоит стандартный линейный источник питания. Примеры схемотехнических реализаций в радиолюбительской практике.

Виды и классификация источников питания

Все источники можно можно упрощенно разделить на следующие разновидности:

Виды источников питания
Источники первичного питания

К ним относятся всевозможные преобразователи не электрических видов энергии в электрическую. Их можно условно классифицировать на следующие виды: Атомные батареи; Химические источники; Солнечные батареи; Термогенераторы; Топливные элементы; Электрические машины постоянного и переменного тока (генераторы).

Химические источники питания: к ним относятся сухие гальванические элементы, кислотные и щелочные аккумуляторы. Наибольшее распространение среди них получили кислотные аккумуляторные и литиевые батареи.

Солнечные батареи их принцип работы базируется на вентильном фотоэффекте в полупроводниках (фото–ЭДС возникающей на p–n переходе). Под действием светового потока электроны переходят на более высокий энергетический уровень, поддерживая, тем самым, протекание тока во внешней цепи.

Топливные элементы преобразуют энергию топлива в электрическую, без реакции горения. Действие этих элементов базируется на принципах электрохимического окислении углеводородного топлива (пропан, водород, метан, керосин) в окислительной среде. Другими словами Топливные элементы представляют собой "вечные батарейки", при условии, что к ним непрерывно подводится топливо и окислитель (воздух).

Работа термогенераторов основана на термоэлектрическом эффекте, появляющемся при нагреве контакта двух полупроводников или проводников, что приводит к генерации на их свободных (холодных) концах ЭДС.

Одним из электродов атомной батареи является радиоактивный изотоп, вторым служит металлическая оболочка. Под действием радиоактивного излучения на электродах генерируется разность потенциалов в несколько киловольт при токе единицы миллиампер. Срок службы атомных элементов от нескольких лет до десятилетий.

Электрические машины - преобразуют механическую энергию поступательного или вращательного движения в электрическую и наоборот. Их делят на электрические машины постоянного и переменного тока. При одинаковой мощности электрические машины переменного тока имеют лучшие показатели, чем их аналоги постоянного тока. Поэтому 98% электроэнергии в мире генерируется электрическими машинами переменного тока.

Вторичные источники питания

Они не производят электроэнергию, они её преобразуют. Например, блок питания ноутбука преобразовывает сетевое напряжение 220В в постоянное - 19 Вольт. Вторичные источники необходимы для того, чтобы обеспечить электронным устройствам необходимые параметры тока, напряжения, пульсаций и частоты.

Основные задачи вторичных ИП

Любой вторичный БП должен обеспечивать передачу требуемой мощности с минимальными потерями и выполнением заданных характеристик на выходе без вреда для работы схемы. Обычно требуюмую мощность выбирают с некоторым запасом.
Преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а кроме того формирование импульсов напряжения, преобразование частоты и т. д. Чаще всего преобразовывают переменноее напряжения заводской частоты в постоянное.
Преобразование напряжения – как в направление повышения, так и понижения. Часто в поставленной задаче требуется целый комплекс различных напряжений различного номинала и величины для различных электронных цепей.
Стабилизация в определённых пределах – тока, напряжения или других параметров на выходе БП, в зависимости от влияния большого количества внешних дестабилизирующих причин: изменения тока нагрузки, напряжения на входе и т.п. Чаще всего в радиолюбительской практике и основах электроники требуется стабилизация напряжения на нагрузке, гораздо реже необходима стабилизация тока.
Обеспечение хорошей защиты по току или напряжению в случае различных неисправностей (допустим, короткого замыкания - КЗ). Также во многих реальных ситуациях требуется защита от тока идущего по неправильному пути: например через землю при прикосновении человека или токопроводящего предмета к токоведущим частям.
В современных БП должна быть отличная гальваническая развязка цепей это одна из основных защитных мер от протекания электрического тока по другому пути.
Регулировка и настройка в процессе эксплуатации у потребителя. В некоторых случаях может потребоваться изменение каких-либо выходных параметров.
Функция яправление – может включать регулировку, включение или отключение каких-либо узлов и схем, или БП в целом. Может быть выполнена как непосредственно с помощью управляющих органов на корпусе устройства), так и дистанционным или программным способом.
В некоторых случаях может потребоваться контроль и отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения или отключения цепей, срабатывания различных видов защит. Также контроль может быть дистанционным, непосредственным или автоматическим.

Обычно перед вторичными БП стоит основная задача преобразования сетевой электроэнергии переменного тока промышленной частоты (например, в России это 220 Вольт, 50 Гц, а на враждебном западе – 120 Вольт, 60 Гц).

Линейные источники питания сегодня практически замещены импульсными, но несмотря на этот факт, они все еще продолжают оставаться практичным решением в радиолюбительских самоделках. Так как они достаточно просты, легко настраиваются и не требуют использования дорогих компонентов, а главное они гораздо надежнее импульсных блоков питания.

Простейший линейный источник питания состоит из сетевого понижающего трансформатора, диодного моста с фильтром и стабилизатора. Основным минусом такой схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех компонентах схемы (т.е. нужна установка радиодеталей допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые).

На рисунке показана простейшая схема трансформаторного БП без функции стабилизации тока или напряжения, с двухполупериодным мостовым выпрямителем.

Трансформатор, в некоторых случаях автотрансформатор понижает сетевое напряжение до нужного (в соответствии с поставленными задачами) уровня, затем выпрямитель - выпрямляет его до пульсирующего однонаправленного. В большинстве случаев выпрямитель имеет всего один диод (однополупериодный выпрямитель) или четыре диода, образующие диодный мост (двухполупериодный выпрямитель - показан на рисунке выше). Иногда в радиолюбительской практике могут применятся и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением или умножением напряжения, далее постоянное напряжение сглаживается фильтром, обычно он сглаживает колебания (или как их еще называют многие радиолюбители пульсации). Обычно сетевой фильтр представляет собой просто конденсатор большого уровня емкости. Стабилизатор напряжения необходим для того, чтобы поддерживать требуемый уровень на нагрузке.

Простейший сглаживающий фильтр - это конденсатор большой ёмкости, подключенный параллельно выпрямителю (диодному мосту).

Также в принципиальной схеме могут быть применены фильтры высокочастотных помех или всплесков, реализована защита на варисторах и от короткого замыкания.

Условно все линейные источники можно также разделить на стабилизированные и нестабилизированные. В стабилизированных источниках питания стабилизатор отвечает за поддержание стабильного выходного напряжения.

Самая простейшая схема самодельного блока питания постоянного тока, состоит из трех основных функциональных узлов — это понижающий трансформатор, диодный выпрямитель и сглаживающий конденсаторный фильтр. В зависимости от номинальной мощности БП и эти узлы будут иметь разные габариты и типы. Основный и наиболее дорогой частью является трансформатор, который понижает сетевое переменное напряжения до необходимых номиналов. Прежде чем его выбрать, определитесь с электрической мощностью, которая необходима. Для этого напряжение перемножите на силу тока нагрузки, плюс оставьте небольшой запас мощности примерно на 20-30%.

Простейший блок питания

Схемы стабилизаторов напряжения - радио любительская подборка стабилизаторов напряжения. Часть схем рассматривают стабилизатор без защиты от КЗ в нагрузке, в других заложена возможность плавного регулирования напряжения от 0 до 20 Вольт. Ну а отличительной чертой отдельных конструкция является возможность защиты от короткого замыкания в нагрузке.

Импульсные источники питания

На дворе 21 век трансформаторных блоков питания остается все меньше, т.к им на смену пришли импульсные блоки питания, иначе их еще называют бестрансформаторным. Почему это произошло? Во первых импульсные блоки питания куда более компактны, легче и дешевле в производстве. По мимо этого КПД импульсных источников может доходить до 80%.

Простой импульсный блок питания своими руками:

Самый простой и яркий представитель импульсных блоков для светодиодных лент, модулей изготавливается на питающее напряжение - 5,12,24 В. Содержит совсем небольшое количество радио компонентов, имеет легкий вес и небольшие габариты. Аналогичный трансформаторный БП весил бы пару килограмм, а то и больше. В БП для светодиодных лент тоже имеется трансформатор, но он очень маленький, так как работает на высоких частотах. Отдельным пунктом можно сказать, что КПД такого блока – около 70-80%, но при этом от него генерируются сильные помехи в бытовую сеть. Существует огромное количество импульсных БП работающих на аналогичном принципе - для ноутбуков и нетбуков, принтеров, факсов, телевизоров и мониторов и т. п. Итак, основной плюс ИБП - малые габариты и низкий вес. Гальваническая развязка в них также имеется. А основной их минус тот же, что и у типового трансформаторного. Он может быстро сгореть от перегрузки.

Желательно иметь 15 – 20 % запас по напряжению, току и мощности. То есть если у вас имеется трансформатор на 150 Вт – лучше не подключайте к нему больше, чем 100 Вт нагрузку. . Также стоит добавить, что ИБП не любят включения без нагрузки. Поэтому не рекомендуется оставлять зарядные устройства для мобильниуов и планшетников в розетке по окончанию работы. Хотя большинство современных ИБП имеют защиту от включения без нагрузки.

Как видите ИБП выполняют точно такую же работу, а именно, обеспечивают требуемый уровень напряжения для питания различных устройств электронной техники, которые к ним подсоединены.

Плюсы и минусы импульсных источников питания

Плюсы ИБП:

Обладают меньшим весом за счет того, что с ростом частоты можно применять импульсные трансформаторы гораздо меньших размеров при той же самой мощности
значительно более высокий уровень коэффициента полезного действия КПД (В некоторых случаях КПД достигает даже уровня 95-98 %) за счет того, что основные потери в ИБП связаны с переходными процессами в моменты переключения их ключевого элемента (обычно силового биполярного или полевого транзистора). Так как большую часть времени ключевые радио компоненты находятся в одном из двух своих устойчивых состояний (то есть транзистор либо открыт, или закрыт) потери электрической энергии будут минимальны;
Гораздо более низкая стоимость, благодаря массовому заводскому выпуску унифицированных компонентов и разработке недорогих силовых транзисторов высокой мощности, работающих в ключевом режиме. Кроме этого следует учитывать значительно более малую цену импульсных трансформаторов при аналогичной передаваемой мощности, и возможность применения не таких мощных силовых радио компонентов, так как режим их работы ключевой;
Широкий диапазоном питающего напряжения и частоты ИБП еще один жирный плюс в сравнении с классическими. В практическом применении это означает возможность применения одного и того же ИБП для устройств цифровой электроники в разных странах, сильно отличных по уровню сетевого напряжения и частоты в типовых электрических розетках;
Наличием в большинстве современных ИБП встроенных защитных цепей от различных аварийных ситуаций, например от отсутствия нагрузки на выходе схемы или короткого замыкания.

Минусы ИБП:

Так как работа основной части схемы происходит без гальванической развязки от сети, что, затрудняет ремонт таких устройств;
Абсолютно все ИБП являются основной причиной появления и образования высокочастотных помех в сетях переменного тока, т.к это связано с принципом их работы. Поэтому необходимо использовать дополнительные помехоподавляющие меры, но и они не устраняют помехи на все 100%. Поэтому в некоторых случаях недопустимо применение ИБП в некоторых видах радиоэлектронной аппаратуры
Основные параметры источников питания

Основными техническими параметрами, характеризующими все источники питания, являются:

выходное напряжение Uвых;
уровень пульсаций Uвых (величина пульсаций);
выходной ток;
пределы изменения напряжения питающей сети; максимальная мощность, потребляемая источником от питающей сети;
Коэффициент стабилизации - показывает на сколько хорошо происходит стабилизация Uвых
Огромная подборка схем и конструкций самодельных блоков питания

Схемы, в основной своей массе, достаточно просты в изготовлении в домашних условиях, обладают минимум дефицитных деталей и легки в настройке, а главное стабильны и надежны в работе.