Вторичный источник электропитания

Основная статья: Источник питания

Промышленные модули электропитания Siemens SITOP Power. Нижний правый — БП для AS-i интерфейса

Вторичный источник электропитания — устройство, которое преобразует параметры электроэнергии основного источника электроснабжения (например, промышленной сети) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для функционирования вспомогательных устройств.

Источник электропитания может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах; либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах — например материнская плата компьютера имеет встроенные преобразователи напряжения для питания процессора), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и так далее), или даже расположенным в отдельном помещении (цехе электропитания).

Задачи вторичного источника электропитания

• Обеспечение передачи мощности — источник электропитания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.
• Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
• Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины, для питания различных цепей.
• Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и так далее. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.
• Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.
• Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.
• Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.
• Управление — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).
• Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

Чаще всего перед вторичными источниками питания стоит задача преобразования электроэнергии из сети переменного тока промышленной частоты (например, в России — 240 В 50 Гц, в США — 120 В 60 Гц).

Две наиболее типичных конструкции — это трансформаторные и импульсные источники питания.

Трансформаторный

Линейный блок питания

Схема простейшего трансформаторного источника питания без стабилизации с двухполупериодным выпрямителем

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от короткого замыкания (КЗ), стабилизаторы напряжения и тока.

Габариты трансформатора

Из 3-го уравнения Максвелла $\mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},$ являющегося математической записью закона электромагнитной индукции Фарадея следует, что ЭДС $E_{1}$, наводимая в одном витке обмотки, охватывающем изменяющийся во времени магнитный поток $\Phi$ равна:

$E_{1}={\frac {d\Phi }{dt}}.$

При синусоидальном изменении $\Phi$ вида:

$\Phi (t)=\Phi _{0}\cdot sin(\omega t),$

где $\Phi _{0}$ — амплитудное (максимальное) значение $\Phi ,$

$\omega$ — угловая частота,

$t$ — время,

следует:

$E_{1}(t)=\Phi _{0}\cdot \omega \cdot sin(\omega t),$

Магнитный поток связан с магнитной индукцией $B$ формулой:

$\Phi =B\cdot S,$

где $S$ — площадь витка.

При практически важном в трансформаторах синусоидальном изменении $B(t)$ по закону:

$B(t)=B_{0}\cdot sin(\omega t),$

где $B_{0}$ — амплитудное (максимальное) значение индукции в сердечнике (магнитопроводе) трансформатора.

Поэтому ЭДС одного витка вторичной обмотки в трансформаторах, первичная обмотка которых питается синусоидальным током и ферромагнитный магнитопровод которых не заходит в магнитное насыщение выражается формулой:

$E_{1}(t)=B_{0}\cdot S\cdot \omega \cdot sin(\omega t).$

На практике и при расчетах трансформаторов применяется не амплитудное, а среднеквадратическое (эффективное) значение ЭДС или напряжения, которое в случае синусоидального изменения связано с амплитудным значением ЭДС выражением:

$E_{eff}={\frac {\sqrt {2}}{2}}E_{0}.$

Подставляя последнюю формулу в выражение ЭДС для одного витка и учитывая, что

$\omega =2\cdot \pi \cdot f,$ $f$ — частота, имеем основную формулу для расчета числа витков обмоток трансформатора так как ЭДС обмотки прямо пропорционально числу витков в обмотке:

$E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\approx 4,43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f,$

где $E_{eff1}$ — эффективная ЭДС одного витка.

Мощность $P$, отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора:

$P=U\cdot I,$

где $U$ — напряжение обмотки под нагрузкой,

$I$ — ток обмотки.

Так как максимальный ток обмотки ограничен предельной плотностью тока в проводниках обмотки при заданном их сечении и $U\sim E_{eff1}$, отсюда следует, что для повышения мощности трансформатора без изменения его размеров следует повышать $B_{0}$ и/или $f$.

Существенному повышению $B_{0}$ препятствует явление магнитного насыщения сердечника. При насыщении, которое наступает в экстремумах тока первичной обмотки в течение периода, во-первых, падает реактивное сопротивление первичной обмотки, что вызывает увеличение тока холостого хода и увеличение нагрева обмотки за счет омического сопротивления, и, во-вторых, увеличиваются потери на гистерезис, вызванные перемагничиванием магнитопровода, так как увеличивается площадь петли гистерезиса, что вызывает повышение потерь на тепло в магнитопроводе.

С точки зрения потерь в магнитопроводе следует как можно больше снижать максимальную индукцию в магнитопроводе ($B_{m}$), но такой подход экономически нецелесообразен, так как при прочих равных увеличивает габариты и материалоёмкость трансформатора. Поэтому $B_{m}$ в магнитопроводе выбирают исходя из разумного компромисса. Причем для трансформаторов малой мощности $B_{m}$ увеличивают, а для мощных трансформаторов — уменьшают. Это обусловлено тем, что магнитопровод у малогабаритного трансформатора охлаждается эффективнее, чем у крупных трансформаторов. Для электротехнических сталей в трансформаторах промышленной частоты $B_{m}$ выбирают в пределах 1,1—1,35 Тл в трансформаторах мощностью до сотен Вт и от 0,7 до 1,0 Тл для мощных трансформаторов распределительных подстанций.

Исходя из $B_{m}$ применяется практическая формула, полученная подстановкой в теоретическое значение ЭДС витка заданного значения $B_{m}$ и частоты 50 Гц:

$E_{eff1}={\frac {S}{33...70}},$

Здесь $S$ выражено в см², $E_{eff1}$ — в вольтах. Меньшие значения знаменателя выбирают для маломощных трансформаторов, большие — для мощных.

Другой путь повышения мощности трансформатора — повышение рабочей частоты. Приблизительно можно считать, что при заданных размерах трансформатора его мощность прямо пропорциональна рабочей частоте. Поэтому увеличение частоты в $k$ раз при неизменной мощности позволяет уменьшить размеры трансформатора в $\sim {\sqrt {k}}$ раз (площадь сечения магнитопровода уменьшается в $\sim k$ раз), или, соответственно, его массу в $\sim {\sqrt[{3/2}]{k}}$ раз.

В частности, в том числе и этими соображениями, в силовых бортовых сетях летательных аппаратов и судов обычно применяется частота 400 Гц с напряжением 115 В.

Но повышение частоты ухудшает магнитные свойства магнитопроводов, в основном из-за увеличения потерь на гистерезис, поэтому при рабочих частотах свыше единиц кГц применяют ферродиэлектрические магнитопроводы трансформаторов, например, ферритовые или изготовленные из карбонильного железа.

Современные источники вторичного электропитания различной бытовой техники, компьютеров, принтеров и др. сейчас практически полностью выполняются по схемам импульсных источников и практически полностью вытеснили классические трансформаторы. В таких источниках гальваническое разделение питаемой цепи и питающей сети, получение набора необходимых вторичных напряжений, производится посредством высокочастотных трансформаторов с ферритовыми сердечниками. Источником высокочастотного напряжения являются импульсные ключевые схемы с полупроводниковыми ключами, обычно транзисторными. Применение таких устройств, часто называемых инверторами позволяет многократно снизить массу и габариты устройства, а также, дополнительно — повысить качество и надёжность электропитания, так как импульсные источники менее критичны к качеству электропитания в первичной сети, — они менее чувствительны к всплескам и провалам сетевого напряжения, изменениям его частоты.

Достоинства и недостатки

Достоинства трансформаторных БП.

• Простота конструкции.
• Надёжность.
• Доступность элементной базы.
• Отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных, создающих помехи за счёт гармонических составляющих).

Недостатки трансформаторных БП.

• Большой вес и габариты, пропорционально мощности.
• Металлоёмкость.
• Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.

Импульсный источник питания

Основная статья: Импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямитель. Ниже виден входной фильтр
B — входные сглаживающие конденсаторы. Правее виден радиатор высоковольтных транзисторов
C — импульсный трансформатор. Правее виден радиатор низковольтных ключей
D — дроссель групповой стабилизации (ГДС)
E — конденсаторы выходного фильтра

Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определённой скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной фильтр нижних частот (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространёнными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящего от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Достоинства и недостатки

Достоинства импульсных БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

• меньшим весом за счёт того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжёлых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме. Кроме того, благодаря повышенной частоте преобразования, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения (можно использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости, чем для выпрямителей, работающих на промышленной частоте). Сам выпрямитель может быть выполнен по простейшей однополупериодной схеме, без риска увеличения пульсаций выходного напряжения;
• значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %) за счёт того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;
  • из этого прямо следует, что, при одной и той же схемотехнике и элементарной базе, КПД растёт с понижением частоты преобразования, так как переходные процессы занимают пропорционально меньшую часть времени. При этом, однако, растут габариты моточных элементов — но это даёт и выигрыш, из-за снижения омических потерь.
• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
• сравнимой с линейными стабилизаторами надёжностью.
  Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные. Линейные БП малой мощности сохранились в основном только в следующих областях:
  • для питания слаботочных плат управления высококачественной бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок;
  • для маломощных управляющих устройств высокой и сверхвысокой надёжности, рассчитанной на многолетнюю непрерывную эксплуатацию при отсутствии обслуживания или затруднённом обслуживании, как, например, цифровые вольтметры в электрощитах, или автоматизация производственных процессов.
• широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
• наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

Недостатки импульсных БП

• Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП.
• Все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры.
• Как правило, импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.
• В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.

См. также

• Паразитное питание (электроника)
• Питание через сеть Ethernet
• Стабилизатор напряжения
• Компьютерный блок питания
• Источник бесперебойного питания
• Зарядное устройство

Литература

• Вересов Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1983. — С. 5. — 128 с. — 60 000 экз.
• Китаев В. В. и др. Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — 328 с. — 24 000 экз.
• Битюков В.К. Симачков Д.С. Источники вторичного электропитания. М.. — Инфра-Инженерия, 2017. — 326 с. — ISBN 978-5-9729-0171-5.
• Костиков В. Г., Парфенов Е. М., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3.

Ссылки

• Вересов Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры - М.Радио и связь, 1983
• Китаев В. Е., Бокуняев А. А. Электропитание устройств связи - М., Связь, 1975
• БЛОК ПИТАНИЯ: импульсный или линейный? ЗА и ПРОТИВ
• Гуревич В. И. Вторичные источники электропитания: анатомия и опыт применения — «Электротехнический рынок», 2009, № 1 (25), с. 50—54

Примечания

Комментарии

Источники