Импульсный блок питания и обычный в чем разница
Отличия импульсного блока питания от обычного
Практически все современные электроустройства работают на импульсных источниках питания. Аналоговые (трансформаторные) БП почти не используются, потому что технически и морально устарели. Перед тем как сделать выбор, нужно подробно рассмотреть, какие есть преимущества ИБП. Понять, в чем их отличие от аналоговых и почему их применяют только в старых электроприборах.
Принцип работы ИБП
Основной функцией любого ИП, в том числе и импульсного БП является стабилизация напряжения в электросетях. ИБП — это прибор для выпрямления сетевого напряжения с последующим формированием электрического высокочастотного импульса.
Аналоговый БП трансформаторного типа, для изменения напряжения в сети использует трансформатор, который питается от электросетей в 220В. ТБП предназначен для понижения напряжения в сети.
ТБП сейчас практически не используются в электро-устройствах ввиду непрактичности и больших габаритов.
Отличия импульсного БП от аналогового представлены в таблице сравнительной характеристики:
Около 98%, в процессе преобразования напряжения потери энергии минимальны
Высокая. Большинство моделей устарели и сняты с производства, поэтому есть дефицит запчастей
Из таблицы видно, что преимущества импульсного блока питания перед трансформаторным очевидны.
Структуры и схемы блоков питания
Выделяют два типа ИБП: без трансформаторов; БП с трансформатором. В бестрансформаторных БП импульсный ток напрямую идет на выпрямитель напряжения. Его схема проста и состоит из минимального набора элементов: специальная интегральная микросхема и широт-импульсный генератор. Бестрансформаторные БП имеют небольшую мощность. Так как в их схеме отсутствует гальваническая связь с сетью питания, то есть вероятность поражения электричеством.
БП с трансформатором более безопасны и надежны. Кроме того, они при малых размерах за счет количества витков обмотки способны увеличивать мощность блока питания.
Каждый виток обмотки имеет свой выпрямитель напряжения, таким образом обеспечивая его стабильность на выходе. В большинстве настольных ПК используются БП с силовыми трансформаторами.
Типичная схема БП с трансформатором состоит из:
Блок питания с силовым трансформатором
Силовые трансформаторы для ИБП бывают двух типов: с косой и без косы. Оба типа могут использоваться для установки в импульсные блоки питания.
Трансформатор с косой состоит из трех обмоток, первичная цепь — 1 обмотка, состоящая из двух полуобмоток по 20-ть витков и вторичная цепь — состоит тоже из 2-х полуобмоток, которые соединяются в косе. Каждая полуобмотка состоит из семи витков, последовательно соединенных между собой по электросхеме, каждый виток равен 1 Вольт. Последовательное соединение между собой обмоток увеличивает мощность.
Применение силовых трансформаторов для блока питания импульсного типа обусловлено рядом преимуществ:
У силовых трансформаторов есть такие недостатки:
Алгоритм работы ИБП
Принцип действия ИБП прост: напряжение на входе выпрямляется и преобразуется в электронные высокочастотные импульсы. На выходе электроцепь формирует сигнал ООС, которым осуществляется регулировка импульсов.
Преимущества использования импульсного БП очевидны:
К минусам применения ИБП относят наличие электромагнитных помех ввиду их работы на импульсах высокой частоты.
В персональных стационарных компьютерах, как правило, применяют ИБП с силовым трансформатором. Для работы силовой прибор использует свойства и принципы электромагнитной индукции. Это дает возможность передавать ток без существенных потерь на большие расстояния.
Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового
Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…
Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:
встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;
или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.
В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:
1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;
2. импульсных блоках питания.
Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.
Трансформаторные блоки питания
Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.
После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.
За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.
Импульсные блоки питания (ИБП)
Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:
доступностью комплектования распространенной элементной базой;
надежностью в исполнении;
возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.
Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.
В состав основных деталей источников питания входят:
сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;
накопительная фильтрующая емкость;
ключевой силовой транзистор;
схема обратной связи, выполненная на транзисторах;
импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;
выпрямительные диоды выходной схемы;
цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;
силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;
Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.
Как работает импульсный блок питания
Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.
Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.
Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:
1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;
2. без выполнения подобной развязки.
Импульсный блок питания с гальванической развязкой
В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.
Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.
В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:
2. каскад из силовых ключей;
3. импульсный трансформатор.
Как работает ШИМ-контроллер
Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.
Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.
Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.
Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.
В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.
Работа каскада из силовых ключей
Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.
Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:
Импульсный трансформатор
Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.
Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.
Импульсные блоки питания без гальванической развязки
В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.
Особенности стабилизации выходного напряжения
Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.
Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:
1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;
2. применения оптрона.
В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.
При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.
Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми
При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:
3. меньшая стоимость;
4. расширенный диапазон питающих напряжений;
5. наличие встроенных защит.
1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.
За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.
2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.
В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.
3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.
4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.
5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.
У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:
маломощных цепей управления сложной бытовой техники;
слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).
Недостатки импульсных блоков питания
В/ч помехи
Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.
В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.
Ограничения по мощности
Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.
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.
Отличия импульсного блока питания от обычного
Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.
Отличия импульсного блока питания от обычного
Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования.
Трансформаторные блоки питания
Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра.
Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.
Достоинства трансформаторных блоков питания
● Простота в конструировании
● Высокая надежность
● Доступность составляющих компонентов
● Отсутствие паразитных радио-волновых помех (Отличия блоков питания от импульсных блоков питания, которые создают помехи в виде напряжений и токов синусоидальной формы, которые во много раз выше частоты электросети)
● Имеющиеся недостатки трансформаторных блоков питания
● Солидный вес и размеры, особенно высокомощные
● Для изготовления требуется много железа
● Компромиссное решение относительно уменьшения КПД и высокой стабильностью напряжения на выходе: для получения стабильного напряжения необходим стабилизатор, с применением которого появляются дополнительные потери.
Импульсные блоки питания
Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот.
В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы — это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока. Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.
Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки.
Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном.
С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.
Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП
Достоинства импульсных блоков питания
● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:
● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.
● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.