Блоки питания

Блоки питания, общие характеристики

Все электронные устройства для своей работы требуют строго определенного вида электрической энергии. В большинстве случаев используется энергия постоянного напряжения разной величины. В бытовой и промышленной сети еще с конца ХIХ века используется напряжение переменного тока. В США и северной Америке это 110 В, частотой 60 Гц. В Европе и почти во всем остальном мире – 220 В, 50 Гц. Эти величины разные из-за традиций каждого региона, которые развивались почти независимо друг от друга. Вначале электросети строились на постоянном токе. Переход на переменный ток был обусловлен тем, что переменное сетевое напряжение простыми средствами преобразуется в напряжение любой необходимой величины. Для этого используется обычный трансформатор. Но вся точная электронная техника для своей работы требует только постоянного напряжения. Получают его из переменного при помощи выпрямителей – одно- и двухполупериодных. После выпрямителя напряжение постоянное, но пульсирующее с частотой пульсаций равной частоте питающей сети переменного тока (при однополупериодном выпрямлении) и удвоенной (при двухполупериодном выпрямлении). Эти пульсации «сглаживают» обычно фильтрами:
- при малой мощности – резистивно-емкостными, при этом часть полезной мощности «гасится» на резисторе, т. е. выделяется в виде тепла;
- при большой мощности сглаживание пульсаций производят индуктивно-емкостными фильтрами. Такое решение увеличивает к.п.д. источника питания.
Если блок питания выдает постоянное напряжение, то он в международной англоязычной традиции называется «constant voltage» – постоянное напряжение. Если же получают постоянный ток, то название меняется на «constant current». Т. е. в практике есть источники постоянного напряжения и постоянного тока. Последние в практике LED-техники носят название драйверы. Но появилось это название как маркетинговое обозначение для источников тока, чтобы не путать их с источниками напряжения.

Традиционные трансформаторные блоки питания

Традиционно блоки питания для получения постоянного напряжения строится по трансформаторной схеме. Напряжение сети переменного тока величиной 110 или 220 В подается на первичную обмотку трансформатора, со вторичной(ных) обмотки(ок) которого снимается необходимое по величине напряжение, которое фильтруется и если нужно, то и стабилизируется. При небольших мощностях (десятки ватт) габариты и вес трансформатора и фильтров еще приемлемые, но когда мощность переваливает за сотню и больше ватт, то тогда вес считают уже на килограммы, а объем занимает кубические дециметры (литры). Такие устройства обеспечивают гальваническую развязку от питающей сети, просты, надежны и могут работать без нагрузки. Но это почти и все их достоинства. А к недостаткам можно добавить достаточно низкий к.п.д. – от 50 до 70 – 75 % (у лучших образцов).

Импульсные (высокочастотные) блоки питания

Большинство блоков питания построены по схеме бестрансформаторного преобразователя напряжения, работающего на высокой частоте выпрямления, фильтрации и стабилизации выходного напряжения. Появилось такое решение в 60-х годах ХХ века, как результат работ по миниатюризации и уменьшению веса аппаратуры.
Такие устройства имеют на входе двухполупериодный выпрямитель с простейшим фильтром, потом идет генератор высокой частоты (несколько КГц), малогабаритный трансформатор на ферритовом или пермалоевом сердечнике, с обмотки трансформатора снимается напряжение необходимой величины, которое фильтруется и если нужно, то стабилизируется. За счет высокой частоты для качественной фильтрации достаточно конденсаторов и дросселей малого физического размера. Кроме того, потому, что генератор в блоке питания может работать с большим разбросом напряжения для его питания, то такие блоки работают при просто огромном разбросе напряжения в сети – от 110 до 260 – 280 В. Такие устройства обеспечивают и гальваническую развязку.
Но при всех таких достоинствах у них есть и существенные недостатки: при работе импульсной схемы генератора в питающую сеть переменного тока выдаются мощные импульсные помехи. Кроме того, простые импульсные блоки без нагрузки могут выйти из строя, так же как и при перегрузке. Ну и к.п.д. у них в пределах 70 – 80 %.

Дополнительные свойства

1. Стабилизация обеспечивает высокое качество напряжения – постоянство во времени, почти независимость величины напряжения от нагрузки, защиту от кратковременных бросков, просадок (длительное падение) напряжения.
2. Защита от короткого замыкания на выходе. Такие случаи возможны при неаккуратном монтаже или при случайном замыкании проводов.
3. Защита от перегрузки, когда на один блок включают намного больше нагрузок, чем он может обеспечить.
4. Защита от собственного перегрева блока питания. Для уменьшения габаритов и увеличения надежности мощные блоки снабжаются активной системой охлаждения – чаще всего это вентиляторы (кулеры).

В наборе производителя «Фотон» более 20 блоков (источников) питания для запитывания устройств, собранных на светодиодах – LED-элементах. Они выполнены как в незащищенном исполнении, таки и с брызгозащитой и даже с полной герметизацией для работы в воде