Что такое вторичные источники питания

Классификация блоков вторичного электропитания

Вторичный блок электропитания — это устройство, предназначенное для обеспечения питания электроприбора электрической энергией, при соответствии требованиям её параметров: напряжения, тока, и т. д. путём преобразования энергии других источников питания.
Источники вторичного электропитания (ИВЭП) преобразуют переменное или постоянное напряжение, получаемое от первичных источников питания, в переменные или постоянные напряжения, требуемые для нагрузок.

Требования, предъявляемые к ИВЭП:
— высокий КПД;
— высокое качество выходного напряжения;
— высокие динамические параметры;
— хорошие массогабаритные показатели и минимальная стоимость;
— надёжность (наличие защит);
— совместимость с сетью и аппаратурой, допустимый уровень радиопомех.

Блоки вторичного электропитания классифицируются по следующим основным признакам:
1) по виду входного напряжения – на ИВЭП, работающие от сети переменного напряжения и ИВЭП, работающие от сети постоянного напряжения;
2) по виду выходного напряжения – на ИВЭП с выходным напряжением переменного тока (однофазные и трехфазные), ИВЭП с выходным напряжением постоянного тока, и комбинированные ИВЭП – с выходным напряжением постоянного и переменного тока;
3) по выходной мощности – микромощные источники питания с выходной мощностью до 1 Вт, малой мощности (от 1 до 10 Вт); средней мощности (от 10 до 100 Вт), повышенной мощности (от 100 до 1000 Вт) и большой мощности (свыше 1000 Вт);
4) по номинальному значению выходного напряжения – низкое (до 100 В), среднее (от 100 до 1000 В), высокое (свыше 1000 В);
5) по качеству выходного напряжения – нестабилизируемые и стабилизирующие ИВЭП;
6) по числу выходов питающих напряжений – одноканальные ИВЭП, имеющие один выход, и многоканальные, имеющие два и более выхода питающих напряжений.

Разработка источников вторичного электропитания (ИВЭП) для изделий специального назначения

Что такое вторичные источники питания

Как бы проста или сложна ни была ваша система независимо от ее функций и возможностей, эффективность ее работы во многом зависит от электроснабжения. Электронное оборудование систем безопасности очень чувствительно к колебаниям и сбоям, которые часто присутствуют в стандартных питающих сетях. Это особенно актуально в условиях общего энергетического кризиса и снижения технологической дисциплины.

Последствия некачественного электроснабжения могут быть так же велики, как и его причины: от небольших сбоев и остановок в работе до серьезных поломок оборудования, порчи программного обеспечения и потери данных.

К сожалению, очень часто заказчики, проектные и монтажные организации относятся к вопросам обеспечения гарантированного электропитания систем безопасности достаточно формально, что связано, в первую очередь, с кажущейся незначительностью вопроса и отсутствием достаточно объективной информации по техническим характеристикам используемых источников питания и, как следствие, объективных критериев для их выбора.

Из всего многообразия аппаратуры, которая, так или иначе, применяется в системах безопасности, источники питания являются одними из самых функционально «простых» устройств. Именно эта кажущаяся простота и привела к появлению на рынке огромного количества производителей и не менее огромного количества источников питания. Правильный выбор источников вторичного питания существенно затрудняется отсутствием развитой базы нормативных документов, как на параметры самих источников, так и на их применение в составе систем безопасности объектов. Единственным параметром источников питания, фигурирующим в нормативных документах по оснащению объектов системами безопасности, является длительность резервирования электропитания систем охранно-пожарной сигнализации. Для особо важных объектов эта длительность составляет не менее 24 часов в дежурном режиме и не менее 3 часов в режиме тревоги. Кроме того, увидевшие свет в 2000 году Нормы Пожарной Безопасности НПБ 86-2000 определяют основные функции и параметры, которые должны быть реализованы в источниках питания для систем пожарной сигнализации.

Недостаток нормативных документов объясняет разнообразие мнений относительно критериев их выбора для конкретных систем безопасности. Негативную роль в этом играет и отсутствие единообразия в терминологии. Поэтому начнем с терминологии и классификации источников питания.

Все, что будет сказано ниже, относится ко вторичным источникам питания постоянного тока для питания низковольтных (12 В, 24 В) слаботочных цепей. Источники гарантированного питания на 220 В переменного тока — тема для отдельного разговора и здесь они не рассматриваются.

Типы источников

Все вторичные источники питания по типу использования можно разделить на два основных класса.
Первый — это вторичные источники, или блоки бесперебойного питания, или источники вторичного электропитания резервированные (ИВЭПР). Более понятно, но редко, их называют источниками непрерывного питания. Подобные устройства предназначены для питания аппаратуры, которая не имеет своего встроенного сетевого источника питания. Как следует из названия, такие источники обеспечивают питание нагрузки всегда с указанными на них параметрами. Подобные источники питания состоят из сетевого источника питания достаточной мощности, зарядного устройства для аккумуляторной батареи (АКБ) и схемы переключения нагрузки с сетевого источника на АКБ.
Второй — это вторичные источники (блоки) резервного питания. Они предназначены для обеспечения питания нагрузки при отсутствии основного источника (сети 220 В). Работают с аппаратурой, которая имеет сетевой преобразователь и входы под резервное питание. По своей сути они представляют собой сетевые зарядные устройства для АКБ и схемы защиты.

Понятно, что источник бесперебойного питания можно использовать как источник резервного питания, но никак не наоборот. Источники резервного питания существенно дешевле, т.к. в них отсутствует мощный сетевой преобразователь.

Схемотехнические решения

По схемотехническим решениям источники можно разделить на три категории. Основным критерием является способ построения мощного низковольтного стабилизатора.
Первая категория — это источники питания с высокочастотным импульсным стабилизатором. К достоинствам можно отнести высокий КПД, малые габариты и широкий диапазон входного сетевого напряжения, а также невысокую стоимость. Недостатки — высокий уровень помех и средний уровень надежности. Поэтому в системах безопасности пока применяются крайне редко, однако развитие элементной базы сулит со временем неплохие перспективы этому типу приборов.
Вторая категория — это трансформаторные источники питания с ШИМ-стабилизатором. Их достоинства — высокий КПД и невысокая цена. Недостатки — высокочастотные помехи на выходе. В последнее время, благодаря развитию современной элементной базы, эти источники получили большое развитие. Иногда ШИМ-стабилизаторы применяются для преобразования одного напряжения в другое при разработке источников питания с несколькими напряжениями на выходе или при необходимости получить на выходе напряжения, не равные напряжению АКБ.
Третья категория — это трансформаторные источники питания с линейным стабилизатором. Их достоинства — высокая надежность, низкий уровень помех, хорошая ремонтопригодность. Однако существенный недостаток — это постоянный рост стоимости, пропорциональный росту цен на цветные металлы, а также большая масса и габариты. Однако, учитывая специфику применения в системах безопасности, эти источники еще долго будут фаворитами.

Многолетний опыт оснащения объектов системами безопасности показывает, что при выборе вторичных источников питания для таких систем основной критерий — это надежность и запас прочности. С этой точки зрения, выбор, бесспорно, падает на классические линейные источники питания. По устойчивости к внешним воздействиям они не знают себе равных. Более того, они абсолютно не создают помех другой аппаратуре. При токах до 2 А эти блоки вполне конкурентоспособны по цене. При токах 2 А и выше последнее время все чаще используются ШИМ-стабилизаторы, которые при применении некоторых схемотехнических ухищрений по надежности и качеству выходного тока уже достигли уровня линейных стабилизаторов при меньшей стоимости.

Основные параметры

Рассмотрим основные параметры вторичных источников питания.
Один из важнейших параметров — напряжение питания сети. В России стандарт на электросети допускает интервал напряжений от 187 до 242 В (220 В +10%, -15%). Зарубежные требования к сети более жесткие (интервал меньше), поэтому импортные вторичные источники бесперебойного питания не рекомендуется использовать в наших сетях. Более того, некоторые отечественные источники бесперебойного питания выпускаются с параметрами, гарантированными в диапазоне от 198 до 242 В (220 ± 10%), что не соответствует российскому стандарту на сети. Использование таких источников питания в реальных условиях чревато либо хроническим недозарядом АКБ, либо срывом стабилизации напряжения, что совершенно недопустимо для систем безопасности. В последнее время на рынке появились источники бесперебойного питания с расширенным диапазоном питающей сети: порядка 150. 250 В, т.к. во многих регионах России пониженное напряжение в сети является нормальным состоянием.
Отсутствие четких требований и стандартов на вторичные источники бесперебойного питания приводит к произволу в определениях и терминологии, что часто запутывает потребителя. Необходимо знать и помнить, что основным параметром вторичного источника бесперебойного питания является выходной номинальный ток. Это ток, который может отдаваться источником при сохранении заявленного уровня пульсаций, при любом допустимом напряжении в сети в интервале не хуже 187 — 242 В, при любом (в т.ч. разряженном) состоянии АКБ и во всем допустимом рабочем интервале температур. Только на этот ток вы можете рассчитывать при построении любой системы безопасности.
Очень часто производители вторичных источников бесперебойного питания в качестве основного параметра указывают ток, отдаваемый в нагрузку без подключенной АКБ (иногда его называют максимальный ток), но необходимо помнить, что часть этого тока отбирается для зарядки АКБ, и в нагрузку гарантировано может отдаваться только номинальный ток.
Все профессиональные вторичные источники бесперебойного питания имеют защиту от глубокого разряда АКБ. Некоторые источники питания позволяют подключать дополнительные источники резервного питания для увеличения времени работы в режиме резерва. Многие источники питания имеют повышенные выходные токи в режиме резерва (при отсутствии сети) или кратковременно, что позволяет существенно оптимизировать питание систем безопасности. В первую очередь, это касается систем оповещения и пожаротушения.

Выбирать вторичные источники бесперебойного и резервного питания следует только отечественного производства и от производителей, специализирующихся на их выпуске.
Развитие рынка безопасности, а так же появление НПБ 86-2000 привело к тому, что все выпускаемые источники можно разделить на три основные группы по применению — источники общего применения, источники для систем CCTV и источники для систем ОПС.

Источники общего применения — недорогие источники с упрощенным набором возможностей и параметров. Могут использоваться при построении простых систем СКУД, систем охранной сигнализации на неответственных объектах.
Профессиональные источники для ОПС — в первую очередь, отличаются наличием в них функций и возможностей, предусмотренных НПБ 86-2000 — таких как электронная защита от КЗ, определение наличия АКБ, индикация и информационные выходы об авариях источника и АКБ.
Источники питания для CCTV — многоканальные источники, специально разработанные для питания дорогостоящей аппаратуры CCTV. Имеют возможность поканальной регулировки напряжения для работы на длинных линиях, фильтры, защищающие камеры от перекрестных помех, дополнительные меры защиты оборудования и т.д. Помимо источников постоянного тока для питания CCTV применяются переменные напряжения 24 и 220В.
Последнее время заметное развитие получили источники с возможностью установки АКБ большой емкости, либо с возможностью подключения дополнительных внешних АКБ. Это позволяет обеспечивать длительную работу объекта при авариях основной сети.
Появившиеся не так давно в номенклатуре производителей источники бесперебойного питания уличного исполнения позволяют организовать питание распределенных периметральных систем или уличных систем видеонаблюдения. При применении источников питания на улице следует помнить, что емкость АКБ существенно падает при отрицательных температурах — в этом случае следует применять специальные термостаты для АКБ.
Помимо пропаданий сетевого электропитания, большой вред аппаратуре наносят скачки напряжения в сети и высоковольтные импульсы, возникающие при грозовых разрядах или коммутационных помехах. В этом случае хорошую службу сослужат стабилизаторы (для большинства применений в системах безопасности достаточно мощностей около 1 кВт) и устройства защиты от импульсных помех и перенапряжений.

Выбор источников питания

В заключение несколько советов по выбору вторичного источника питания.
1) Всегда внимательно изучайте паспорта на источники питания или старайтесь получить дополнительную информацию у производителя.
2) Старайтесь применять на одном объекте источники одного и того же производителя: это избавит вас от сложностей и проблем при последующем обслуживании.
3) Не применяйте импортные вторичные источники бесперебойного питания. Как правило, они не предназначены для работы с нашими электросетями.
4) Никогда не используйте источники питания, которые работают в диапазоне питающей сети от 198 до 242 В. Помните, что электросеть 220 В в России может, по ГОСТу, опускаться до 187 В, а реально и ниже.
5) Старайтесь не использовать на ответственных объектах источники с высокочастотными преобразователями.
6) Старайтесь использовать источники питания со схемой защиты АКБ от глубокого разряда.
7) Не экономьте на дешевых АКБ неизвестных производителей и недобросовестных поставщиков.
8) Никогда не полагайтесь при принятии решений на параметры, указанные в прайс-листах или рекламных проспектах. Источник питания — прибор не менее сложный и важный, чем извещатель или контроллер. Требуйте паспорт и внимательно изучайте характеристики изделия.
9) При организации питания CCTV используйте специализированные источники.
10) На объектах с проблемными электросетями используйте дополнительно стабилизаторы и устройства защиты от скачков напряжения.

Основные термины, используемые в разделе

• Бесперебойный (резервированный) источник питания — устройство, которое обеспечивает электропитание нагрузки всегда с указанными параметрами, т.е., одновременно выполняет функции основного и резервного источника питания, при этом при пропадании основного напряжения автоматически переходит на резервное питание.
• Емкость аккумулятора — произведение тока разряда аккумулятора на время разряда. Для герметичных АКБ емкость указывается из расчета 20-часового разряда. Т.е. АКБ 7Ач можно разряжать током 0,35А в течение 20 часов.
• Резервный источник питания — устройство, предназначенное для электропитания нагрузки при отсутствии входного напряжения.
• Совмещенный источник питания — бесперебойный источник питания, обеспечивающий несколько выходных напряжений.
• Стабилизированный источник питания — устройство, обеспечивающее стабилизированное выходное напряжение, но не имеющие встроенного аккумулятора для обеспечения бесперебойного питания в случае пропадания входного напряжения.

Справочная информация
Расчет падения напряжения на проводах в зависимости от тока нагрузки: U=2 x I x Rуд. x L/Sпр.
где:
U — падение напряжения на проводах, В
I — ток, потребляемый нагрузкой, А
Rуд. — удельное сопротивление материала проводов (для меди – 0,07 Ом х мм2/м)
L — длина проводов, м
Sпр. — площадь сечения проводов ( Sпр. = П d2/4 ), мм2
d – диаметр провода, мм
П — 3,1415

TDK-Lambda News

Источники вторичного электропитания выступают в роли своеобразных посредников, между первичной электросетью и питаемыми приборами. В качестве таких приборов чаще всего выступают различные электронные устройства, например, промышленная или бытовая техника, измерительная аппаратура и другие. В статье будут рассмотрены основные типы таких источников, а также их принцип работы.

Задачи, решаемые при помощи ИВЭП

• Преобразования переменного тока в постоянный, а также преобразования формы импульсов и их частоты.
• Повышение или понижение входного напряжения.
• Стабилизация силы тока и напряжения, вне зависимости от особенностей полезной нагрузки.
• Гальваническая развязка от питающей электросети, защита от короткого замыкания, и др.
• Возможность управления устройством, например, включения или отключения различных режимов работы, предусмотренных производителем.
• Визуальные или иные средства контроля работы системы.

Существуют два основных вида ИВЭП: классические трансформаторные и более современные импульсные блоки питания. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, о которых мы расскажем подробнее.
Трансформаторные источники питания (ТИП)
Такой вторичный источник, как правило, состоит из трансформатора, диодного выпрямителя и выходного конденсатора. Переменное напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора, преобразуется (понижается или повышается). Затем, проходя через диодный мост, выпрямляется и подается на питаемое устройство. Выходной конденсатор в этой схеме, используется для уменьшения пульсаций на выходе.

• Высокая надежность и бесперебойность работы.
• Простота ремонта.
• Отсутствие радиопомех.

• Мощность устройства зависит от размеров трансформатора.
• Чем мощнее устройство, тем оно больше как по размерам, так и по массе.
• Надежность работы обеспечивается за счет использования стабилизатора, что приводит к потерям энергии и снижению КПД.
• Опасность выхода из строя при скачке напряжения.

В таких ИП входное напряжение сначала выпрямляется, его частота повышается до необходимых значений и только после этого, электропитание либо подается на преобразующий трансформатор, либо на выходной фильтр нижних частот.
Стоит особо отметить, что за счет преобразования электрического напряжения в импульсы повышенной частоты, трансформатор начинает работать более эффективно, что позволяет использовать малогабаритные компоненты. Также повышению эффективности способствует применение ферромагнитных сердечников, вместо сердечников из электротехнической стали, традиционно применяемых в ТИП.

• Минимальные размеры и вес трансформатора и выходного конденсатора.
• КПД может достигать значения 90% и выше.
• Использование высокомощных ключевых транзисторов, а также миниатюрных трансформаторов, снижает конечную стоимость ИСП.
• Высокая степень надежности.
• Работа с широким диапазоном входных значений.
• Наличие механизмов автоматической защиты от короткого замыкания и других нештатных ситуаций.

• Отсутствие в большинстве ИСП гальванической развязки от питающей электросети.
• Высокий уровень генерируемых радиопомех.
• Наличие ограничений, связанных с минимальной мощностью нагрузки.

Серия KPSB разработана для монтажа на плату и работе с нагрузкой на 6 и 25 Вт. Диапазон входного напряжения – от 90 до 264 В сети переменного тока. Значения на выходе от 3,3 до 24 В с фиксированным шагом, сила тока от 0,25 до 4 А.
Класс безопасности II позволяет использовать модели этой линейки без заземления. Уровень электромагнитного излучения соответствует классу B. Рабочая температура в диапазоне от -40 до +80 градусов, а КПД достигает 87%.

Модель CUS600M имеет миниатюрный корпус и работает с полезной нагрузкой мощностью до 600 Вт при наличии активного охлаждения и мощность 400 Вт при конвективном охлаждении в замкнутом пространстве. Во втором случае допускаются продолжительные пиковые нагрузки до 600 Вт.
Выходное напряжение находится в диапазоне от 12 до 48 с фиксированным шагом, сила тока от 5 до 50 А, при этом КПД достигает 96%. Устройство соответствует I и II классам изоляции, а также отвечает требованиям безопасности, предъявляемым к медицинским устройствам по стандартам IEC/EN/UL 62368-1 и IEC 60601-1.
Модель поддерживает работу с сигналами управления. Также на плате есть вспомогательный выход питания номиналом 5 В. Гарантия 5 лет.

Устройство CUS400M во многом похоже на старшую модель. Оно также сертифицировано по стандартам IEC/EN/UL 62368-1 и IEC 60601-1 и пригодно для организации питания медицинских устройств, соответствующих категориям «B», «CF» и «BF».
Эта модель обеспечивает работу нагрузки до 400 Вт при наличии системы активного охлаждения, а при его отсутствии до 250 Вт с возможностью пиковых значений 400 Вт.
На данный момент выпускаются модели на 12 и 24 В, а в дальнейшем планируется расширение выходных значений от 15 до 48 В с фиксированным шагом. Сила тока от 8,33 до 33,33 А. КПД достигает 94%. На эту модель действует пятилетняя гарантия.

Серия QM пришла на замену популярной линейке Alpha 1000-1500 (CA). В нее входят многоканальные конфигурируемые ИП, мощность которых находится в диапазоне от 700 до 1500 Вт. Модели имеют от 10 до 18 выходов с напряжением от 2,8 до 105,6 В и током 110 А. КПД достигает 91%.
Каждый выход оснащен системой мониторинга выходного напряжения, возможностью дистанционного включения или отключения. По запросу могут быть установлены дополнительные модули: вспомогательного напряжения на 5 или 12 В и коммуникационный модуль для организации работы по шине Pmbus.
Серия QM подходит как в качестве промышленных ИП, так и в качестве лабораторных источников питания для использования в научных, медицинских и других сферах деятельности. Семилетняя гарантия от производителя.

Серия CPFE является продолжением линейки PFE, которая прекрасно зарекомендовала себя в оборонной и космической промышленности. Мощность ИП, входящих в серию CPFE составляет от 720 до 1008 Вт, напряжение от 12 до 48 В с фиксированным шагом, сила тока от 21 до 60 А.
Охлаждение этих ИП организовано с использованием основания корпуса, что позволяет применять их в системах, где нет возможности организовать активную систему вентиляции или ее использование недопустимо.
ИП CPFE предназначены для работы в жестких условиях как внутри помещения, так и на улице. Дополнительно на корпус может быть нанесено специальное защитное покрытие, исключающее попадание внутрь корпуса любых видов загрязнений, например, влаги или пыли. Гарантия производителя 2 года.

Вторичные источники электропитания: анатомия и опыт применения

Источник питания является важнейшей составной частью любого электронного устройства, от надежности которого зависит работоспособность всего устройства.

В 60-х годах прошлого века были разработаны первые импульсные источники питания (ИИП), которые интенсивно развивались в течение десятков лет и сегодня почти полностью вытеснили линейные источники питания (ЛИП) практически во всех областях техники. В чем же разница между этими двумя типами источников питания и чем ИИП так хороши?

Широко применявшиеся повсеместно в технике на протяжении многих десятков лет ЛИП являются весьма простыми и даже примитивными устройствами, рис. 1, состоящими всего лишь из нескольких элементов: понижающего трансформатора, выпрямителя, сглаживающего фильтра на основе конденсатора и полупроводникового стабилизатора (стабилитрон с мощным транзистором или аналогичный по функции одиночный силовой полупроводниковый элемент).

В отличие от них, ИИП являются значительно более сложными устройствами, работающими на высокой частоте и состоящими из сотен активных и пассивных элементов, рис. 2.

В чем же основные принципиальные отличия между этими двумя типами источников? В ЛИП входное переменное напряжение сначала понижается до необходимого уровня (или уровней, в случае многообмоточного трансформатора) с помощью трансформатора, затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется с помощью электролитического конденсатора и стабилизируется нелинейным электронным элементом. Напряжение до стабилизирующего элемента выбирается большим, чем номинальное выходное напряжение источника, а его излишек гасится (рассеивается) в виде тепла на этом стабилизирующем элементе (что требует иногда использования радиаторов).

Наличие некоторого излишка напряжения позволяет осуществлять стабилизацию выходного напряжения источника как при уменьшении, так и при увеличении входного напряжения за счет изменения доли энергии, рассеиваемой на стабилизирующем элементе. По этой причине к.п.д. такого источника всегда намного ниже единицы.

В ИИП входное переменное напряжение сначала выпрямляется диодным мостом (или просто проходит без изменения через диоды этого моста в случае питания источника от сети постоянного тока), сглаживается и поступает на коммутатор (обычно, ключевой элемент на базе MOSFET транзистора), с помощью которого постоянное напряжение «нарезается» на узкие полоски (частота коммутатора составляет 70-700 кГц для мощных источников и 1-3 Мгц для маломощных). Сформированные таким образом прямоугольные высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, выходное напряжение которого соответствует требуемому уровню напряжения, которое затем выпрямляется и фильтруется. Стабилизация уровня выходного напряжения при изменении уровня входного напряжения осуществляется с помощью цепи обратной связи, состоящей из специально предназначенного для этой цели драйвера, обеспечивающего широтно-импульсную модуляцию (ШИМ или PWM) сигнала управления коммутатором через узел гальванической развязки (обычно дополнительный развязывающий трансформатор). Этот драйвер представляет собой небольшую, но достаточно сложную микросхему, отслеживающую выходное напряжение источника и изменяющую ширину импульсов управления в ту или иную сторону при отклонении уровня выходного напряжения от заданного значения. Такую структуру имеют дешевые источники питания. Более качественные и дорогие ИИП содержат, как минимум, два дополнительных узла: входной высокочастотный фильтр и корректор коэффициента мощности, рис. 2. Первый нужен для защиты питающей сети (то есть всех остальных потребителей, питающихся от той же сети, что и ИИП) от высокочастотных гармоник, генерируемых в сеть ИИП. Второй применяется для увеличения коэффициента мощности источника питания. Проблема коррекции коэффициента мощности возникает в связи с наличием диодного моста со сглаживающим конденсатором на входе ИИП. При таком включении конденсатор потребляет из сети ток импульсами, только в те моменты времени, когда мгновенное значение синусоидально изменяющегося входного напряжения становится больше напряжения на конденсаторе (из-за его разряда на нагрузку). В остальное время, когда напряжение на конденсаторе больше мгновенного входного, диоды моста оказываются запертыми обратным напряжением конденсатора и потребление тока отсутствует. В результате ток, потребляемый ИИП, оказывается существенно сдвинутым по фазе относительно напряжения, рис. 3a.

При большом количестве ИИП, подключенных к сети переменного тока, общее снижение коэффициента мощности в сети становится уже заметным (типичное значение коэффициента мощности ИИП без корректировки 0,65) в связи с чем применяется его активная коррекция с помощью так называемого корректора коэффициента мощности (ККМ или PFC — power factor corrector).

ККМ представляет собой самостоятельный преобразователь напряжения, так называемый бустерный конвертер (boost converter — BC), снабженный специальной схемой управления, рис. 4.

Основными элементами ВС являются: дроссель L, диод VD2, конденсатор C2 и быстродействующий ключевой элемент VT на базе MOSFET транзистора. Работа этого устройства основана на явлении возникновения импульсов повышенного напряжения обратной полярности на индуктивности при разрыве тока в ее цепи. Транзистор VT с большой частотой (обычно, 200 кГц) включает и выключает ток в цепи индуктивности L, а образующиеся при этом импульсы повышенного напряжения через диод VD2 заряжают конденсатор С2, от которого питается нагрузка (в нашем случае собственно ИИП). Таким образом, напряжение на конденсаторе С2 всегда выше входного напряжения ВС. Благодаря этому свойству ВС они получили большое распространение в электронных устройствах в качестве преобразователя напряжения стандартного гальванического элемента (1,2-1,5 В) в другое стандартное напряжение 5 В, необходимое для управления микросхемами. В нашем случае конденсатор С2 заряжается до напряжения 385-400 В. Благодаря тому, что конденсатор С1 имеет очень небольшую емкость (это, по сути, высокочастотный фильтр), а схема управления с ШИМ ключевого элемента постоянно отслеживает фазу входного переменного напряжения и обеспечивает соответствующую привязку импульсов управления (то есть импульсов тока) к фазе напряжения, удается практически полностью устранить сдвиг фаз между током и напряжением, потребляемым накопительным конденсатором С2, рис. 3b. Кроме того, эта же схема управления

обеспечивает жесткую стабилизацию напряжения заряда конденсатора С2. Несмотря на малые габариты микросхемы управления ККМ, она имеет довольно сложную внутреннюю структуру, рис. 5, а в целом, с учетом большого количества необходимых пассивных элементов, устройство ККМ получается довольно сложным и занимает весьма заметную площадь печатной платы ИИП, рис. 6.

Почему же такие сложные устройства вытеснили с рынка простые и хорошо зарекомендовавшие себя ЛИП?

Основными преимуществами ИИП перед ЛИП, которые обычно указываются в технической литературе, являются:

1. Значительное уменьшение размеров и массы за счет меньшего понижающего трансформатора (высокочастотный трансформатор имеет значительно меньшие габариты и массу по сравнению с трансформатором промышленной частоты той же мощности).
2. Возможность работы в очень широком диапазоне изменения входного напряжения.
3. Значительно более высокий к.п.д. (до 90-95%, против 40-70 % для ЛИП).
4. От себя добавим еще одно важное преимущество: возможность работы от сети и переменного, и постоянного тока.

Даже при беглом взгляде на два одинаковых по мощности и по свойствам источника питания хорошо заметны характерные отличия между ЛИП (слева) и ИИП (справа): ЛИП намного проще, но содержит значительно более крупный и тяжелый трансформатор (Т), рис. 7.

Плоский модуль ИИП (рис. 7) является универсальным источником питания микропроцессорных реле защиты серии SPAC, SPAD, SPAU и др., который вдвигается по направляющим в корпус реле. Естественно, использовать в такой конструкции ЛИП с крупным трансформатором затруднительно.

Но что мешает вместо одного крупного многообмоточного трансформатора с тремя выходными напряжениями применить три отдельных маленьких трансформатора, для которых вполне достаточно места на печатной плате ЛИП? В этом случае габаритные размеры ЛИП будут не намного отличаться от ИИП. Даже в случае мощного источника с одним уровнем выходного напряжения можно использовать несколько плоских трансформаторов, соединенных между собой параллельно. Так что наличие малого по размерам трансформатора не является абсолютным преимуществом ИИП.

Что касается очень широкого диапазона входных напряжений, при которых обеспечивается работоспособность ИИП за счет использования ШИМ в системе управления основного ключевого элемента, то это преимущество представляется нам весьма условным. Ну, действительно, так уж важно на практике, что ИИП может работать при входных напряжениях, изменяющихся в пределах от 48 до 312 В? Ведь этот диапазон охватывает сразу несколько рядов номинальных напряжений, таких как: 48, 60, 110, 127, 220 В. Совершенно очевидно, что в конкретной аппаратуре ИИП будет работать при каком-то одном номинальном напряжении (изменяющемся в пределах не более чем ±20%), а не сразу на всех одновременно. А если необходимо использовать аппаратуру при напряжении и 110 В и 220 В, то для этого существуют хорошо известные решения в виде маленького переключателя и отвода от обмотки трансформатора.

Коэффициент полезного действия является важным показателем, если речь идет о мощном источнике, а не об источнике мощностью 25-100 Ватт, которые мы рассматриваем. Кроме того, высокий к.п.д. и отсутствие заметного выделения тепла (что характерно для ИИП) может быть важно в миниатюрном переносном источнике питания полностью закрытого исполнения, например в таком, как источник питания лэптопов. Во множестве других случаев, например в источниках питания контроллеров и электронных реле промышленного назначения, вопрос о к.п.д. источника питания не является актуальным.

Возможность работы от сети постоянного тока является важнейшим и абсолютным преимуществом ИИП. Линейные источники принципиально не могут работать от сети постоянного тока.

Вот, вкратце, анализ преимуществ ИИП перед ЛИП. Рассмотрим теперь недостатки ИИП.

К недостаткам ИИП можно отнести наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе источника, рис. 8.

В отличие от ЛИП с его слабой 50-герцовой пульсацией, пульсации выходного напряжения в ИИП, как правило, имеют значительно большую амплитуду и лежат в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких мегагерц, что создает проблемы распространения излучений в цепи электронной аппаратуры, для питания которой предназначен ИИП, а также (по проводам и даже через эфир) в цепи совершенно посторонних электронных приборов. Кроме того, в ИИП приходится принимать специальные меры для предотвращения проникновения высокочастотных излучений в питающую сеть (по которой они распространяются и могут нарушить работу других электронных приборов) путем использования специальных фильтров, рис. 9.

Наличие высокочастотной составляющей в выходном напряжении и в промежуточных узлах схемы предъявляет повышенные требования к многочисленным электролитическим конденсаторам, имеющимся в схеме ИИП, которые, к сожалению, редко учитываются разработчиками ИИП. Как правило, типы этих конденсаторов выбираются лишь по емкости, рабочему напряжению и габаритам, без учета их характеристик на высокой частоте. А между тем далеко не все типы конденсаторов способны длительно работать под воздействием напряжения высокой частоты, а лишь имеющие низкий импеданс на высоких частотах. В результате неучета этого обстоятельства электролитические конденсаторы заметно нагреваются из-за повышенных диэлектрических потерь на высокой частоте. Повышенная температура электролита интенсифицирует химические реакции в конденсаторе, что, в свою очередь, приводит к ускоренному растворению элементов корпуса конденсатора и вытеканию электролита прямо на печатную плату, это при очень плотном монтаже приводит к коротким замыканиям между разнопотенциальными выводами или, наоборот, к обрыву цепей вследствие растворения медных дорожек печатной платы (даже несмотря на наличие прочного покрытия дорожек платы), рис. 10.

Другой распространенный тип повреждений ИИП, обусловленный повышенной температурой электролита, — быстрое (в течение нескольких лет) высыхание электролита и значительное (на 30-70%) снижение емкости конденсаторов, что приводит к резкому ухудшению характеристик источника питания, а иногда и полной потере его работоспособности [1].

Для обеспечения эффективной работы ККМ, силовой коммутационный элемент (обычно, транзистор MOSFET) должен обладать как можно более низким сопротивлением в открытом состоянии. Величина этого сопротивления в значительной степени зависит от максимального рабочего напряжения транзистора.

Для транзисторов с максимальным рабочим напряжением 500-600 В это сопротивление составляет 0,05- 0,3 Ом, тогда как для транзисторов на более высокие напряжения (1000-1500 В) это сопротивление на один-два порядка выше (например, 12 Ом для транзистора 2SK1794 на напряжение 900 В; 17 Ом для транзистора IXTP05N100 на напряжение 1000 В; 7 Ом для транзистора STP4N150 на напряжение 1500 В). Этим объясняется выбор относительно низковольтных (с максимальным рабочим напряжением 500-600 В) транзисторов для ККМ. Например, в реальных конструкциях ИИП весьма ответственных устройств, используемых в электроэнергетике, таких как микропроцессорные реле защиты и регистраторы аварийных режимов, широко применяются транзисторы типов IRF440, APT5025 и др. с максимальным напряжением 500 В, что совершенно недостаточно для работы в промышленной электрической сети с напряжением 220 В из-за наличия значительных коммутационных и атмосферных перенапряжений. Как известно, для защиты от таких перенапряжений электронная аппаратура снабжается обычно варисторами. Однако из-за недостаточной нелинейности характеристики вблизи рабочей точки варисторы выбираются таким образом, чтобы между длительно приложенным рабочим напряжением и напряжением срабатывания под воздействием импульсного перенапряжения (так называемое clamping voltage) была бы довольно существенная разница. Например, для ва-ристоров любого типа, предназначенных для длительной работы при номинальном напряжении переменного тока 220 В clamping voltage составляет 650-700 В. В источниках питания упомянутых выше микропроцессорных устройств использованы варисторы типа 20К431 с clamping voltage 710 В. Это означает, что при воздействии импульсов напряжениях с амплитудой ниже 700 В варистор не обеспечит защиты электронных компонентов источника питания, особенно силовых транзисторов (500 В), включенных напрямую в цепь сети.

На высокой рабочей частоте трансформатор и катушка индуктивности в ККМ обладают высоким импедансом, ограничивающим ток, протекающий через них и через коммутирующие элементы. Однако сбой в работе микросхем, обеспечивающих управление силовыми ключами ККМ или основного силового ключа ИИП (например, в результате воздействия импульсной помехи), приводит к переходу в режим работы на постоянном токе (то есть с очень низким импедансом) и резкой токовой перегрузке сразу многих силовых элементов схемы и мгновенному выходу их из строя. Учитывая высокую плотность монтажа ИИП, это приводит часто к повреждению соседних элементов схемы, выгоранию целых участков печатного монтажа. Вообще-то, что касается надежности, должно быть совершенно ясно, что надежность такого сложного устройства, как ИИП, содержащего множество сложных микросхем и силовых элементов, в том числе работающих на высоких напряжениях в импульсном режиме с высокими скоростями нарастания тока и напряжения, всегда будет заметно ниже надежности такого простого устройства, как ЛИП, в котором имеется всего лишь несколько электронных компонентов, работающих в линейном режиме.

Плотность монтажа и энергоемкость ИИП постоянно растут, например, источник типа EMA212, рис. 2, при размерах 12,7×7,62×3 см имеет мощность 200 ватт. Этому способствует применение схем управления на миниатюрных элементах поверхностного монтажа, очень плотный монтаж силовых элементов, постоянный рост рабочей частоты. Когда-то эта частота не превышала 50-100 кГц. Сейчас уже многие мощные источники с выходным током до 20 А работают на частоте 300-600 кГц, а менее мощные, например, работающие под управлением контроллера ADP1621, уже на частоте более 1 МГц и более, что способствует дальнейшему снижению массогабаритных показателей ИИП. Обратной стороной этой медали (которую всячески рекламируют как достоинство ИИП) становится практически полная потеря ремонтопригодности таких устройств. Это является источником серьезных проблем для потребителя, использующего такие ИИП. И дело здесь даже не в материальных затратах на приобретение нового ИИП, а в том, что ИИП в подавляющей массе не унифицированы ни по размерам, ни по виду присоединений. Это могут быть и специальные жесткие разъемы, и колодки с винтами, и гибкий провод с разъемом, рис. 11, а могут быть и втычные разъемы на печатных платах, вдвигаемых по направляющим в корпус аппаратуры.

Такой разнобой в конструкциях ИИП приводит к невозможности замены поврежденного источника, как правило, встроенного внутри аппаратуры, на источник другого типа, если старые ИИП уже не выпускаются. Обновляются ИИП довольно часто, поэтому при выходе их из строя через несколько лет эксплуатации в составе более сложной аппаратуры перед потребителем возникает сложная проблема: чем и как заменить этот ИИП? Автору неоднократно приходилось решать эту головоломку путем приобретения более компактного нового ИИП и встраивания его в корпус старого, вышедшего из строя, или размещения нового ИИП на плате, аналогичной по размерам старому ИИП. Все эти вынужденные ухищрения отнюдь не добавляют очков ИИП.

В системах промышленной автоматики применяется большое количество всевозможных электронных приборов: измерительных преобразователей, контролеров и т.п., установленных в шкафах управления. Как правило, каждый из таких приборов имеет собственный встроенный источник питания. Из-за стремления уменьшить размеры приборов и удешевить их встроенные источники питания выполняются до предела упрощенными (часто даже с гасящими резисторами вместо изолирующих трансформаторов). А элементная база таких источников выполняется на относительно дешевых элементах, не имеющих достаточных запасов по мощности и по напряжению. В результате такие приборы часто выходят из строя по причине выхода из строя источников питания. Однако так ли уж нужны такие источники в этих приборах? Вопрос можно поставить еще шире: а нужны ли вообще встроенные источники питания в электронных приборах и контроллерах промышленного назначения, предназначенные для установки в шкафах управления вместе с десятками других аналогичных приборов? Почему бы не выпускать для комплектных систем автоматики такие устройства, как контроллеры, электронные реле, электронные измерительные преобразователи и т.п. вообще без источников питания, а лишь с разъемом, предназначенным для подключения внешнего источника? Этот внешний источник питания, расположенный в шкафу, должен быть, по-нашему мнению, линейным, иметь хороший запас по мощности, должен быть снабжен необходимыми элементами для защиты от перенапряжений, коротких замыканий, и т.п. Более того, в шкафах, относящихся к системам автоматики повышенной надежности, таких линейных источников, соединенных между собой через диод, должно быть два (так называемый горячий резерв).

Как это ни покажется странным, но в эпоху импульсных источников питания существует множество компаний (VXI, Lascar, Calex Electronics, Power One, HiTek Power, R3 Power и много других) продолжающих выпускать ЛИП, что свидетельствует об их популярности в определенных областях техники и об их доступности для практического применения. По нашему мнению, указанный выше подход позволил бы значительно повысить надежность систем автоматики, телеуправления, релейной защиты (с питанием от сети переменного тока) без увеличения ее стоимости (вследствие меньшей стоимости электронных приборов без встроенных источников питания).

Аналогичный подход может использоваться и в случае питания электронной аппаратуры (например, тех же микропроцессорных реле защиты), установленной в шкафах, от сети постоянного тока, с той лишь разницей, что два общих на шкаф источника питания должны быть импульсными, а не линейными. При этом эти источники должны быть подвергнуты серьезной реконструкции. Во-первых, из них должны быть исключены корректоры коэффициента мощности, как совершенно бессмысленные узлы при питании от сети постоянного тока, что само по себе уже повысит надежность источников. Во-вторых, эти ИИП шкафного типа должны быть достаточно крупными и удобными для поиска неисправностей и ремонта (в источниках шкафного типа нет смысла гнаться за компактностью), они не должны содержать элементов поверхностного монтажа. В-третьих, многочисленные электролитические конденсаторы, имеющиеся в ИИП, должны быть сконцентрированы на отдельной плате, предназначенной для простой замены ее после каждых 5 лет эксплуатации (то есть до того, как конденсаторы начнут выходить из строя). Сетевой фильтр должен использоваться готовый (такие фильтры представлены на рынке сотнями моделей), а не собираться из отдельных элементов, для того, чтобы его можно было просто и быстро заменить в случае необходимости.

Предлагаемые меры, по нашему мнению, позволят снизить зависимость стационарной электронной промышленной аппаратуры от вторичных источников электропитания и значительно повысить ее надежность.

В заключение несколько слов о новейших тенденциях, появившихся в области конструирования вторичных источников электропитания. Речь идет о попытках применения микропроцессоров в этих источниках, причем и в линейных [2], и в импульсных [3]. Может быть, наш взгляд покажется читателю чрезмерно консервативным, но, по нашему мнению, микропроцессоры нужны в источниках питания так же сильно, как и в сиденьях для унитаза, где они применяются для точного измерения температуры соответствующей части тела и подогрева этого сиденья до температуры, соответствующей температуре упомянутой части тела. Ведь совершенно очевидно, что наличие функционально неоправданных сложных узлов в аппаратуре — это путь, однозначно ведущий к снижению ее надежности.

Литература

1. В. И. Гуревич Надежность микропроцессорных устройств релейной защиты: мифы и реальность. — Проблемы энергетики, 2008, № 5-6, с. 47-62.
2. Ю. Садиков Блок питания в виде сетевого адаптера с регулировкой выходного напряжения от 1,5 до 15 В и выходным током до 1 А. — Электроника-инфо, 2008, № 12, с. 42-43.
3. EFE-300/EFE-400. 300/400 Watts, Digital Power Solution. — Datasheet TDK-Lambda, 2009.

В. ГУРЕВИЧ,
канд. техн. наук

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках