Блок питания импульсный или трансформаторный что лучше

Разработка электроники

Лаборатория: Битва источников питания: Импульсные блоки против тороидальных трансформаторов

Изучаем, влияет ли на качество звука тип блока питания в аудио-технике

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

Совсем немного истории

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

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

Краткая теория

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

Методика тестов и измерений

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

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

Герои тестирования

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

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

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

Часть 1. Исследование работы под нагрузкой

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

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

Выходное напряжение под нагрузкой:

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

Аналогичным образом проверяем трансформаторный блок питания:

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

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

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

А теперь то же самое для ТБП:

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

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

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

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

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

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

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

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

Пульсации напряжения ИБП:

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

Часть 2. Замеры влияния типа источника питания на качество звука

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

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

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

Запускаем тесты с разными источниками питания и получаем следующие цифры:

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

Часть 3. Субъективное прослушивание

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

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

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

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

Выводы

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

Спасибо за чтение!

Григорий Можаровский и Роман Ромащенко
2020.05.20

Выбор блока питания, трансформаторный или импульсный

В статье пойдет речь о выборе сетевого блока питания (который подключается к сети переменного тока 230В или 400В).
Под блоком питания понимается как обособленное устройство (адаптер), так и часть устройства. В качестве трансформаторного блока питания понимается блок питания на базе низкочастотного трансформатора. Под импульсным понимается блок питания со схемой формирования высокочастотных импульсов и высокочастотным трансформатором (дросселем в случае с flayback).

Итак Вы проектируете устройство или же оно у Вас уже имеется и его нужно запитать от сети т.е. нужен БП. Какой БП выбрать: трансформаторный или импульсный ? Однозначного ответа тут не может быть, у каждого типа блоков питания есть свои преимущества, недостатки и особенности, о них мы и поговорим в этой статье.

Сравнение и выбор блока питания будем выполнять по следующим основным критериям:

— развязка с сетью;
— пульсации и помехи;
— стабильность выходного напряжения.

Развязка с сетью

Предполагается, что выбираемый блок питания обеспечивает гальваническую развязку с сетью. Какой же из двух видов блоков питания обеспечит максимальную развязку ?
На первый взгляд выбор очевиден — трансформаторный блок питания так как импульсный имеет в своем составе Y конденсатор (или даже несколько) между входом и выходом.

Теоретически трансформаторный блок питания действительно обеспечивает полную развязку с сетью, но на практике это не всегда так, особенно для тороидальных трансформаторов.

При изготовлении тороидальных трансформаторов вторичная обмотка наматывается поверх первичной и между ними образуется паразитный конденсатор. При этом к паразитному конденсатору приложено переменное напряжение сети.
К сожалению значение межобмоточной емкости трансформаторов производители никак не нормируют.и узнать его можно только фактическим измерением «на месте». Общая тенденция такая, что чем выше мощность (размер) трансформатора, тем выше межобмоточная емкость. Кроме размера трансформатора, на значение межобмоточной емкости влияет качество изоляции.

Для примера на фото ниже приведены результаты измерения межобмоточной емкости различных тороидальных трансформаторов. Емкость измерялась RLC метром Е7-22 при частоте 120 Гц.

У Ш образных трансформаторов, обычно, первичная и вторичные обмотки разделены на отдельные секции, поэтому значение межобмоточной емкости значительно меньше.

Вернемся к импульсным блокам питания. Типовое значение емкости Y конденсатора между входом и выходом 2,2 нФ. Часто можно встретить более высокое значение вплоть до 4,7 нФ, реже меньшее значение 1 нФ.
Таким образом блок питания на мощном тороидальном трансформаторе между входом и выходом может иметь емкость соизмеримую или даже большую, чем в качественном импульсном блоке питания. При этом наличие емкости в импульсном блоке питания известно, а вот о такой особенности тороидального трансформатора обычно нигде не указывается.

Чем же «вредна» эта самая емкость ?
Прежде всего паразитным потенциалом на выходе относительно земли. Этот потенциал может составлять десятки вольт, и при касании выхода блока питания (или запитанного им устройства) заземленным паяльником или просто рукой, приводить к выходу устройства из строя.

В импульсных источниках питания для снижения потенциала на выходе относительно земли и дополнительного снижения помех устанавливают конденсаторы между выходом и заземлением. Рекомендуемая суммарная емкость конденсаторов не более 20 нФ.

Поскольку указанные конденсаторы устанавливаются не во все импульсные блоки питания, а величина межобмоточной емкости для тороидальных трансформаторов не нормируется, то при их использовании рекомендуется проверять наличие паразитного потенциала на выходе. Для этого можно использовать мультиметр в режиме измерения переменного напряжения и при включенном блоке питания один щуп взять в руку (или соединить с заземлением) второй соединить с выходом блока питания.

Другое негативное влияние межобмоточной емкости — проникновении сетевых помех. При этом импульсные блоки питания оказываются в более выигрышном положении т.к. у них в большинстве случаев устанавливается входной фильтр. Этот фильтр препятствует проникновению помех в сеть от импульсного блока питания и наоборот.

Итог. При выборе блока питания, если Вам требуется максимальная развязка с сетью, то лучше использовать трансформаторный блок питания с Ш сердечником и разделенными обмотками. При этом нужно учитывать, что Ш трансформатор имеет большее поле рассеяния и может наводить помеху 50 Гц. В некоторых особо чувствительных приборах устанавливаются последовательно два тороидальных трансформатора, чем обеспечивается высокая развязка и малая помеха 50 Гц.

Пульсации и помехи

Понятия пульсации и помехи достаточно близкие и могут иметь различное толкование. В данной статье под пульсациями понимаются колебания напряжения/тока вызванные естественными процессами. Под помехами понимаются колебания(выбросы) напряжения/тока вызванные различными «паразитными» явлениями. Например: колебания напряжения на выходе источника питания после выпрямителя и LC фильтра — пульсации. Всплески напряжения, вызываемые коммутацией ключей — помехи. Еще пример: колебания напряжения на выходе трансформаторного блока питания после выпрямителя и фильтра с частотой 100Гц — пульсации, наводимые полем рассеяния колебания напряжения в схеме — помехи. Грубо говоря помеха это неестественное (мешающее) колебание напряжения.
Может быть такая классификация не совсем научная и правильная, но она позволяет упростить изложение материала.

Для начала разберемся с пульсациями.
В случае с трансформаторным блоком питания пульсации выходного напряжения обычно выше, чем у импульсного (стабилизированного) блока питания. Это связанно с низкой частотой импульсов напряжения на выходе выпрямителя трансформаторного блока питания. Однако низкочастотные пульсации трансформаторного блока питания эффективно подавляются аналоговыми схемами (операционные усилители, линейные стабилизаторы и др.). Частота пульсаций импульсного блока питания составляет десятки и даже сотни килогерц. Степень подавления таких высокочастотных пульсаций по питанию аналоговых схем значительно меньше и они могут «проникать» на их выход. Например в схеме входного тракта АЦП на операционном усилителе пульсации по питанию могут накладываться на полезный сигнал. Для подавления высокочастотных пульсаций по цепям питания операционных усилителей часто используются RC фильтры: резистор сопротивлением 10-100 Ом и керамический конденсатор емкостью 0,1-10 мкФ. Если требуется уменьшить пульсации импульсного блока питания в силовой цепи, то используются дополнительные LC фильтры.

С помехами дело обстоит гораздо хуже.
Если величина пульсаций более менее поддается анализу на этапе проектирования, то оценить величину помех сложно.

В случае с трансформаторным блоком питания помехи создаются полем рассеяния трансформатора, у тороидальных трансформаторов оно меньше у Ш образных больше. Особенно «страдают» от этих помех аналоговые схемы, обрабатывающие низкоуровневые сигналы (прецизионные мультметры, усилители звуковой частоты, радио аппаратура). Для подавления помех от низкочастотного трансформатора используются экранирующие оболочки (кожухи) из стали или жести.

В импульсных блоках питания основные помехи создаются при переключении транзисторов и восстановлении диодов. Подавление этих помех очень обширная и достаточно скучная тема. Гораздо полезнее будет рассмотреть топологии (типы) импульсных блоков питания по формированию помех.

Обратно-ходовые (flyback) импульсные блоки питания с точки зрения помех самый неудачный выбор. Эти импульсные блоки питания среди прочих наиболее подвержены возникновению мощных импульсных помех. К проектированию и выбору таких блоков питания нужно подходить более тщательно, особенно если его мощность составляет десятки ватт .

Полумостовые (half-bridge) и мостовые (full-brige) импульсные блоки питания с точки зрения помех наиболее удачный выбор. Блоки питания данной топологии обычно имеют меньший уровень помех. Частным случаем полумостовых и мостовых импульсных блоков питания являются резонансные схемы в которых коммутация транзисторов осуществляется при нулевом напряжении или токе, из-за чего возникающие помехи минимальны.

Прочие топологии импульсных блоков питания занимают промежуточное место между обратно-ходовыми и полумостовыми (мостовыми) схемами.
Не стоит воспринимать эту классификацию буквально, величина помех сильно зависит от реализации и при неудачном исполнении резонансная схема может «фонить» сильнее качественно спроектированного и изготовленного flayback.

Итог. При выборе блока питания следует учитывать, что помех от импульсных блоков питания больше чем от трансформаторных, но помехи импульсных блоков более высокой частоты (обычно это десятки мегагерц) и малой продолжительности. Если помеху от трансформаторного блока можно услышать в прямом смысле, то помехи от импульсных блоков питания можно увидеть разве, что осциллографом. Это не значит, что помехи импульсных блоков питания можно игнорировать, сильный их уровень способен нарушить работу цифровых схем и создать помехи в радиоэфире. Но нужно учитывать, что во многих случаях незначительный уровень помех качественно спроектированного импульсного блока питания не оказывает существенного влияния на работу устройства ( и соседних устройств).

Стабильность выходного напряжения

Выбор блока питания мы осуществляем для определенного устройства и у него есть диапазон входных напряжений при котором оно будет корректно работать.

Напряжение на выходе трансформаторного блока питания может изменяться в значительном диапазоне. Изменение напряжения вызывают как изменение напряжения питающей сети, так и изменение нагрузки. Особенно сильная зависимость выходного напряжения от нагрузки у маломощных трансформаторов.

Рассмотрим пример трансформаторного блока на трансформаторе ТП-121-4.
Исходные данные:
— номинальное выходное напряжение трансформатора на холостом ходу 16,4В;
— номинальное выходное напряжение трансформатора под нагрузкой 11,2В.
— отклонение напряжения сети +-10% (ГОСТ 29322-2014).

Максимальное напряжение на выходе блока питания будет на холостом ходу при максимальном напряжение сети. Считаем Uвых = 16,4*1,1*1,4 = 25,3В.
Минимальное напряжение на выходе блока питания будет при максимальной нагрузке и минимальном напряжении сети. Считаем Uвых = 11,2*0,9*1,4=14,1В. Фактически под нагрузкой напряжение будет еще ниже из-за падения напряжения на диодах и из-за того, что фактически амплитуда импульсов тока в обмотках будет выше номинальных значений (емкость выпрямителя заряжается короткими импульсами) и следовательно падение напряжения на обмотках будет выше расчетных.

Расчет показывает, что на выходе трансформаторного блока питания напряжение значительно изменяется в зависимости от нагрузки и сетевого напряжения, в рассмотренном примере почти в два раза. Если требуется получить более стабильное (фиксированное) напряжение, то необходимо использовать дополнительные стабилизаторы напряжения. При использовании линейных стабилизаторов из-за большого разброса входного напряжения возникают существенные тепловые потери. При использовании импульсных понижающих step-down преобразователей потери значительно ниже, но габариты и стоимость увеличиваются, кроме того добавляется необходимость дополнительной фильтрации ВЧ пульсаций для чувствительных аналоговых схем.

Напряжение на выходе импульсного блока питания стабилизировано (если это стабилизированный блок питания, а не «электронный трансформатор» на IR2153), при изменении нагрузки или напряжения сети выходное напряжение изменяется незначительно. Если у блока несколько выходов, то контур стабилизации замыкается по наиболее мощному и тогда остальные (дополнительные) каналы являются условно стабилизированными. Напряжение на дополнительных выходах изменяется в зависимости от нагрузки, но изменения эти не так значительны как у трансформаторного блока, обычно колебания напряжения не превышают +-0,5В и если эти колебания критичны, то может быть установлен дополнительный стабилизатор, причем номинальное напряжение может быть подобрано так, чтобы тепловые потери были незначительными.

Итог. Напряжение на выходе трансформаторного блока питания значительно изменяется в зависимости от напряжения сети и нагрузки, особенно у маломощных блоков. У импульсных блоков питания напряжение на выходе для основного канала (по которому замкнут контур стабилизации) стабилизировано, а изменение напряжения в дополнительных каналах незначительно. Это позволяет сократить общее число стабилизаторов в схеме, а в некоторых случаях и вовсе отказаться от них.

Заключение

При выборе блока питания рекомендуется руководствоваться следующими правилами.

Трансформаторные блоки питания выгодно использовать для питания маломощных устройств требующих хорошей гальванической развязки с сетью, минимальных пульсаций и помех. При использовании трансформаторных блоков питания следует учитывать значительное изменение выходного напряжения при изменении напряжения сети и нагрузки. Ш образный трансформатор обеспечивает большую гальваническую развязку с сетью в сравнении с тороидальным, но имеет большее поле рассеяния и в чувствительных схемах может потребовать экранирования.

Импульсные блоки питания следует выбирать тщательно, отдавая предпочтение качественным и проверенным моделям. В большинстве случаев помехи от качественно спроектированных и изготовленных импульсных блоков питания не оказывают существенного влияния на устройства. При питании аналоговых схем высокочастотные пульсации импульсных блоков питания могут проникать на их выход, в этих случая применяют дополнительные RC или LC фильтры. При выборе мощного импульсного блока питания (более 100Вт) предпочтение стоит отдавать полумостовым и мостовым топологиям.

В целом из статьи следует вывод, что импульсные блоки питания в большинстве случаев лучше трансформаторных. При современном уровне техники так оно и есть, если импульсный блок питания качественный. Но для разовых или малосерийных устройств, с точки зрения затрат на разработку, трансформаторный блок питания при всех его недостатках может оказаться выгоднее, особенно в связке с понижающим step-down стабилизатором.

Импульсный блок питания или линейный: какой выбрать?

Импульсный блок питания или линейный. История вопроса

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 80-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. Все меньше и меньше сфер применения линейных (аналоговых, параметрических) источников. Линейный источник электропитания сегодня в бытовой аппаратуре практически не найдёшь. А стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на бурный прогресс электроники, преодоление стереотипов происходит очень медленно.

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

Импульсный блок питания. Стереотип «сложность»

Да, импульсные блоки питания 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.

Импульсный блок питания. Стереотип «ненадёжность»

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

Импульсный блок питания. Стереотип «помехи»

В схемотехнике импульсных блоков питания заложено формирование мощных импульсов и затухающих колебаний в обмотках трансформатора. Эти коммутационные процессы предопределяют широкий спектр паразитного излучения.
Поэтому корпус и соединительные провода источника могут стать антенной для излучения радиопомех. Но если конструкция импульсного блока питания тщательно проработана, о помехах можно забыть. Кроме этого, благодаря современным технологиям импульсные блоки питания позволяют существенно сгладить пульсации сетевого напряжения.

А какие достоинства импульсного блока питания?

Импульсный блок питания. Высокий КПД

Высокий КПД (до 98%) импульсного блока питания связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом источнике это сетевой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В импульсном блоке питания 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 в импульсном блоке питания 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.

Импульсный блок питания. Небольшой вес

Импульсный блок питания имеет меньший вес за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса импульсного блока питания в разы меньше аналогового.

Импульсный блок 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 блоков питания. Чем больше выходная мощность, 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.

Импульсный блок питания. Надёжность

Вы не ослышались, надежность. На сегодняшний момент импульсные блоки питания надёжнее 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 импульсного блока питания, что так же является показателем надёжности.

Импульсный блок 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 блоки питания допускают широчайший диапазон питающего напряжения, недостижимого для линейного. Типовой нижний порог сетевого напряжения для импульсного блока питания — 90…110 В, любой аналоговый источник при таком напряжении в лучшем случае «сорвется в пульсации» или просто отключится.

Итак, импульсный или линейный? Выбор в любом случае за вами, мы лишь хотели помочь вам объективно взглянуть на импульсные блоки 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.

Чем отличается импульсный блок питания от обычного: особенности и отличия

Подавляющее большинство современной электроники работает на постоянном токе с малыми значениями силы и напряжения. Например, роутеры потребляют 12 вольт и 5 ампер, а смартфоны в большинстве случаев – 5 вольт и 2 ампера. Вот только в бытовой сети распространяется совершенно другой ток – переменный, с частотой 60 Гц, напряжением 220 вольт и (обычно) силой до 6 ампер.

Соответственно, для использования электронных приборов в бытовой сети этот ток надо как-то преобразовать. Для этих целей и используются блоки питания. Их задача – трансформация тока для придания ему определённых параметров напряжения, силы, а также частоты (превращения переменного в постоянный).

И если требуется выбрать подходящий блок питания либо соорудить самостоятельно, то чаще всего можно встретить два варианта – обычный, он же трансформаторный, и импульсный. И в чём разница, кроме конструкционной сложности, не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы разберёмся, чем отличается импульсный блок питания от обычного, рассмотрим их особенности и отличия.

Обычные блоки питания (трансформаторного типа)

Обычные блоки питания

Трансформаторные блоки питания – одни из первых устройств для преобразования электричества. Они относятся к аналоговому типу, отличаются конструкционной простотой и сравнительно высокой надёжностью. Впрочем, и существенные недостатки вроде слишком крупных габаритов у них также имеются.

Основной функциональный элемент таких БП – трансформатор. Он состоит из двух индукционных катушек. На первую подаётся электричество из бытовой 220-вольтовой сети и создаёт электромагнитное поле. Оно, в свою очередь, наводит индукцию и создаёт электродвижущую силу на второй. Таким образом достигается понижение напряжения.

В дальнейшем электрический ток, созданный на понижающей катушке, передаётся на выпрямляющее устройство. Как правило, оно состоит из нескольких силовых диодов, включённых по схеме моста. Для сглаживания пульсирующего напряжения используется конденсатор, подключённый параллельно диодному мосту, а затем силовые транзисторы его стабилизируют.

В итоге на выходе формируется постоянный ток заданного напряжения и силы. Для регулирования параметров его работы используются специальные резисторы подстройки, включаемые в схему стабилизации.

Обычные БП (трансформаторного типа) характеризуются максимальной конструкционной простотой. В принципиальной схеме элементарного устройства – всего три детали: система катушек, диодный мост и конденсатор.

Ключевые достоинства обычных блоков питания:

Простота сборки и конструирования. БП необходимой мощности можно собрать самостоятельно – достаточно лишь понимать принцип работы и точно осознавать, для каких целей планируется использовать аппарат;
Высокая надёжность и долговечность. При правильной эксплуатации срок работы аппаратов практически не ограничен. Так, сегодня ещё можно найти функционирующие модели, выпущенные более нескольких десятилетий назад;
Доступность комплектующих. Все необходимые детали можно приобрести на радиорынках, у радиолюбителей и в специальных магазинах, заказывать какие-то определённые микросхемы из-за рубежа не требуется;
Не создают паразитные радиоволновые токи. Благодаря этому помехи в питающей сети или в конечных потребителях практически не наблюдаются.

Ключевые недостатки обычных блоков питания:

Низкий КПД. При передаче электричества трансформаторным способом огромная часть мощности просто теряется. Кроме того, из-за использования стабилизатора на выходе для получения стабильных параметров работы часть КПД дополнительно теряется;
Крупногабаритные. Причём чем мощнее БП – тем больше его вес и размеры. Как следствие, высокомощные и вовсе могут быть маломобильными;
Создают значительное электромагнитное поле. Тем самым они могут образовывать наводки в других линиях передачи сигнала – например, коаксиальных кабелях или «витой паре».

Все эти недостатки оказываются настолько критическими, что сегодня обычные БП в быту практически не используются. Вместо этого применяются импульсные.

Импульсные блоки питания

Импульсные блоки питания имеют сложную конструкцию и являются устройствами инверторного типа. Их ключевое отличие от обычных заключается в том, что входное напряжение подаётся сразу на выпрямитель. Затем оно формирует импульсы определённой частоты. За это отвечает отдельная подсистема управления, так что импульсные БП являются полноценными цифровыми устройствами.

Поскольку импульсные БП отличаются конструкционной и принципиальной сложностью, рассматривать схему их работы в рамках этой статьи не целесообразно. и

Ток из сети поступает на сетевой фильтр, минимизирующий входящие и исходящие искажения;
Преобразователь трансформирует синусоиду переменного тока в импульсный постоянный ток;
Инвертор, контролируемый через модуль управления, формирует из импульсного постоянного тока прямоугольные высокочастотные сигналы;
Ток поступает на импульсный трансформатор, который подаёт напряжение на различные элементы самого БП, а также на нагрузку;
После этого ток поступает на выходной выпрямитель, а затем сглаживается на выходном фильтре.

Такая система обеспечивает не только высокий коэффициент полезного действия, но и малые размеры устройства. Причём чем выше частота импульсов – тем компактнее БП за счёт уменьшения габаритов трансформатора.

Ключевые достоинства импульсных блоков питания:

Высокий КПД, составляющий, как правило, около 98%. Небольшие потери создаются их-за переходных процессов, возникающих при переключении ключа. Но они слишком незначительны, чтобы брать их в расчёт;
Компактные размеры и малый вес. Это достигается за счёт того, что импульсным БП не требуется массивный трансформатор.

Ключевые недостатки импульсных блоков питания:

Конструкционная сложность. Собрать такое устройство в домашних условиях без знаний в области электроники или электротехники практически невозможно;
Заметный нагрев при работе. Поэтому высокомощные импульсные БП оснащаются дополнительными системами охлаждения, которые приводят к увеличению размера и массы устройства;
Наличие высокочастотных помех. Как следствие, для использования в чувствительной аппаратуре такие блоки питания оснащаются фильтром помех, но и он не даёт 100% защиты от такого «мусорного сигнала»;
Мощность нагрузки должна входить в номинальный диапазон. При превышении или понижении её будут наблюдаться изменения выходного напряжения. Как правило, производители предусматривают это явление и устанавливают защиту от подобных нештатных ситуаций.

Компактные размеры и высокое значение КПД помогли импульсным БП распространиться максимально широко. Сегодня они применяются в зарядных устройствах мобильной электроники, компьютерной и бытовой техники, а также в системах электронного балласта осветительных приборов.

Сравнение импульсного и обычного блоков питания

Сравним эти два типа устройств, определив, какие лучше использовать в той или иной ситуации.

Тип блока питания

Обычный (трансформаторный)

Напряжение сначала понижается, а затем выравнивается

Напряжение сначала преобразуется, а затем понижается

Некоторые высокоточные и чувствительные к ВЧ-помехам устройства

Коэффициент полезного действия

Небольшой, особенно с учётом потерь на стабилизаторе

Как правило, крупные

Как правило, малые

Высокочастотные помехи в выходном токе

Требование максимальной и минимальной мощностей нагрузки

При прочих равных предпочтительнее использовать импульсные БП. Они обеспечивают больший КПД, а ещё весят от нескольких десятков граммов. Но в некоторых высокоточных, прецизионных устройствах лучше применять обычные (трансформаторные) модели, поскольку они не засоряют выходной сигнал помехами.