Кпд импульсного блока питания

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.

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:

со средней точкой.

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:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

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.

Новости Высоких Технологий

КПД — коэффициент полезного действия. КПД в блоках питания компьютера, на что влияет? 80 PLUS сертификация блоков питания.

Коэффициент полезного действия (КПД, PSU Efficiency — eng.) — параметр, обозначающий, насколько эффективно блок питания может преобразовывать энергию для нужд комплектующих. Измеряется в процентах и чем больше к 100% стремится тем выше эффективность.

Что такое КПД блока питания .

Блок питания является импульсным преобразователем, который предварительно преобразует переменный ток в постоянный. Переменный ток фильтруется, проходит через фильтры, трансформаторы и другие преобразователи. При этом преобразовании, теряется часть энергии с электромагнитными гармониками, сопротивлением элементов и соответственно с теплом. Если сравнить входящую мощность и выходящую, выходящая будет всегда меньше. Соотношение входящей и выходящей энергии и есть КПД.

По уровню коэффициента полезного действия, можно судить о качестве элементной базы в блоке питания, так как для достижения высоких значений, применяются более дорогие и качественные компоненты. Производителями БП, применяются новые технологии для увеличения уровня КПД. Например учетверённые и двойные трансформаторы, электронные системы управления током и защитой, в конце концов качественная пайка для меньшего сопротивления.

Плюсы от высокого уровня КПД .

1. Высокий коэффициент полезного действия экономит электроэнергию, что может лучшим способом сказаться на счетах за электричество. В единичном случае, экономия не большая, но в долгосрочной перспективе вы получите неплохую экономию. К тому же, если ваш компьютер потребляет значительное количество энергии, выигрыш от высокого КПД будет выше.

В организациях, где компьютеров 50 и более, высокий КПД сэкономит значительное количество средств за электроэнергию и поможет сэкономить на электрооборудовании питающей сети, благодаря меньшей необходимой мощности.

2. Высокий КПД, в итоге уменьшает нагрев компонентов внутри блока питания, благодаря меньшим потерям по току и как следствие меньшее преобразование электроэнергии в тепловую энергию. Это позволяет снизить частоту работы вентилятора и уменьшить шум. Но главное, что при более благоприятных условиях работы, большинство компонентов блока питания служат намного дольше. В частности, это касается силовых цепей и конденсаторов (электролитов), которые не терпимы к постоянным перегревам.

3. Более качественные компоненты в блоке питания с высоким КПД. Для увеличения КПД, используются качественные компоненты и надёжная пайка. Это тоже увеличивает срок службы блока питания и все его характеристики: уровень пульсаций, поддержание нужного напряжения, возможность отдачи энергии, влияние линий питания друг на друга.

Стандарт 80 PLUS. Что это такое?

Блоки питания, получившие 80 PLUS сертификат, должны выдавать коэффициент полезного действия не ниже определённого уровня при нагрузке от 20 до 100%. Сертификаты отличаются по процентному показателю и названию, от худшего к лучшему — Plus, Bronze, Silver, Gold, Platinum и не так давно введённый Titanium.

Примечательно, что сертификация имеет разные процентные показатели для разных напряжений. Применяются разные процентные значения при работе от 115 (Америка) и 230 вольт (Европа).

Наличие любого из этих сертификатов, говорит о довольно качественной элементной базе и чем выше стандарт, тем выше качество блока питания. Для домашнего использования, достаточно иметь блок питания со стандартом Bronze или Silver. Далее, процентный рост КПД растёт значительно медленнее, в отличии от цены на такие БП.