Вторичные источники питания электронных устройств. Часть первая

На свете есть столь серьезные вещи,
что говорить о них можно только шутя.

Нильс бор

1. Введение
2. Первичные источники
3. Вторичные источники
4. Линейные источники
5. Импульсные источники
6. Полезная литература

Введение

Источники питания, которые вы используете для подключения ноутбука к сети 220В, к примеру, называются вторичными источниками питания. Вторичными они называются потому, что первичным источником питания будет генератор на электростанции, который вырабатывает ток, текущий по городским электросетям или химический элемент питания. Все источники питания можно грубо разделить так, как показано на диаграмме ниже.

Первичные источники питания 

Первичные источники питания − это преобразователи неэлектрических видов энергии в электрическую. Например, ГЭС, ветрогенераторы, солнечные панели, химические источники тока, аккумуляторы, бензогенераторы и т.д. Первичными источниками занимаются в основном энергетики и производители всяких аккумуляторов. Мне они не сильно интересны, к примеру. Или интересны... Да, солнечные и геотермальные источники энергии мне интересны!

Вторичные источники питания

Вторичные же источники питания сами по себе не производят электроэнергию, они просто её преобразуют. Например, источник питания ноутбука преобразовывает переменное напряжение 220В в постоянное напряжение 19.2В.

Вторичные источники требуются, чтобы обеспечить устройствам заданные параметры напряжения, тока, пульсаций напряжения питания, частоты. Мы же не льем нефть в бензобак? Так и электронные устройства удобней и безопасней питать правильно.

Линейные источники питания

Так они называются за счет принципа работы. Дело в том, что регулирование выходного напряженния в них непрерывное, т.е. линейное. Эти источники питания появились в мире первыми. И строятся по классической схеме: трансформатор, выпрямитель, фильтр, стабилизатор:

На блок-схеме изображен стабилизированный линейный источник питания. Это значит, что он построен таким образом, чтобы поддерживать заданное напряжение, даже если прибор, подключенный к нему, будет кушать от него ток то 1А, то 5А.

А есть ещё нестабилизированные линейные источники питания. Если закрыть рукой на блок-схеме прямоугольник "стабилизатор", то получится именно такой ИП. Вот в нём при разной нагрузке напряжение на его выходе может слегка (ил в особо плоих случаях совсем не слегка) изменяться (обычно оно уменьшается).

Трансформатор понижает напряжение сети до требуемого, затем выпрямитель из обычного переменного напряжения делает пульсирующее напряжение, которое затем сглаживается фильтром до состояния постоянного, а стабилизатор используется для того, чтобы поддерживать напряжение на нагрузке в требуемых нагрузкой пределах. К примеру, нагрузка питается напряжением в 10В +/- 0.2В -- тут уже нужен очень хороший источник питания с хорошей стабилизацией.

Преимущества

Их достаточно просто изготовить в домашних условиях, с хорошим фильтром выдают напряжение питания с малым уровнем пульсаций и соответственно не мешают работать устройствам, которые от них питаются. А также гальваническая развязка от сети. 

Недостатки

Низкий КПД, который падает с ростом потребления тока. Дело в том, что чем больше потребляет устройство от линейного источника, тем сильнее в нем нагреваются регулирующие элементы (обычно либо транзисторы, либо специализированные микросхемы-стабилизаторы), а значит в атмосферу улетает прорва энергии в форме тепла. Другой минус линейных источников питания - вес. Хороший мощный трансформатор весит как гиря и имеет приличные габариты, да и цена у него достойная веса.

Ипульсные источники питания

Или иначе ИИП. Эти источники работают принципиально иначе чем линейные источники питания. При этом они могут при меньших габаритах питать значительно большие нагрузки. Принцип их работы основывается на ШИМ (широтно-импульсной модуляции). 

Сначала в ИИП входное напряжение преобразуется в постоянное, а затем постоянное напряжение преобразуется в импульсы, идущие с определённой частотой и скважностью, а потом на трансформатор (для гальванической развязки сети и нагрузки) или сразу на нагрузку без всякой развязки.

На блок-схеме видно, что ИИП сложней устроены, чем линейные источники питания. Но их также всё еще можно собрать в домашних условиях. Или вообще переделать блок питания ATX PC. В сети полно таких примеров. 

Преимущества 

Малый вес, хороший КПД (до 90-98%), малые размеры. Обладает меньшей стоимостью, если сравнивать ИИП и линейный источник одинаковых характеристик. ИИП вокруг нас везде: зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров и ноутбуков, ламп, светодиодных лет и прочих устройств.

Недостатки

Часто не имеют гальванической развязки от сети. Являются источниками высокочастотных помех, которые полностью устранить практические невозможно. Так же поговаривают, что есть ограничение на минимальную мощность нагрузки. Дело в том, что при нагрузке меньше требуемой ИИП может просто не запуститься. 

В следующей части я хочу показать конкретные примеры схематики источников питания, а может быть даже будем пошагово создавать линейный или импульсный источник питания. _{Добавляй запись в закладки (Ctrl+D) и подписывайся на рассылку!)}

Что ещё почитать?

• Ревич. Занимательная электроника (главы про источники питания)
• Борисов. Энциклопедия юного радиолюбителя (главы про источники питания)
• Белопольский. Источники питания радиоустройств
• Санджай Маниктала. Импульсные источники питания от A до Z
• Семенов. Силовая электроника (импульсная)
• Раймонд Мэк. Импульсные источники питания
• Москатов Е.А. Источники питания
• Ефимов И.П. Источники питания РЭА 
• Микросхемы для линейных источников питания и их применение (справочник)
• Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование
• Гейтенко. Источники вторичного электропитания