Какой блок питания лучше импульсный или трансформаторный

Обновлено: 21.11.2024

Для повседневных электронных устройств, особенно со встроенными схемами, требуется надежный источник постоянного напряжения, который может обеспечивать питание в любое время без каких-либо сбоев. В этом блоге мы рассмотрим две топологии конструкции источников питания, которые следует рассмотреть для вашего следующего проекта: линейные регулируемые и импульсные источники питания. Выбранный вами источник питания в конечном итоге зависит от ваших требований к эффективности, занимаемому месту, регулированию мощности, переходному времени отклика и стоимости.

Линейный регулируемый источник питания

Линейные регуляторы были предпочтительными источниками питания до 1970-х годов для преобразования переменного тока (AC) в устойчивый постоянный ток (DC) для электронных устройств. Хотя этот тип блока питания сегодня не используется так широко, он по-прежнему является лучшим выбором для приложений, требующих минимального уровня шума и пульсаций.

Они могут быть громоздкими, но источники питания с линейной стабилизацией бесшумны. (Источник изображения)

Как они работают

Основным компонентом, обеспечивающим работу линейного регулятора, является стальной или железный трансформатор. Этот преобразователь выполняет две функции:

Он действует как барьер, отделяющий вход переменного тока высокого напряжения от входа постоянного тока низкого напряжения, который также отфильтровывает любые помехи, попадающие в выходное напряжение.
Он снижает входное напряжение переменного тока со 115 В/230 В примерно до 30 В, которое затем можно преобразовать в постоянное напряжение постоянного тока.

Переменное напряжение сначала понижается трансформатором, а затем выпрямляется несколькими диодами. Затем оно сглаживается до низкого постоянного напряжения парой больших электролитических конденсаторов. Это низкое постоянное напряжение затем регулируется как постоянное выходное напряжение с помощью транзистора или интегральной схемы.

Вот блок питания с линейным стабилизатором. (Источник изображения)

Регулятор напряжения в линейном источнике питания действует как переменный резистор. Это позволяет изменять значение выходного сопротивления в соответствии с требованиями к выходной мощности. Поскольку регулятор напряжения постоянно сопротивляется току для поддержания напряжения, он также действует как рассеивающее устройство. Это означает, что полезная мощность постоянно теряется в виде тепла для поддержания постоянного уровня напряжения.

Трансформатор уже является крупным компонентом печатной платы (PCB). Из-за постоянной мощности и тепловыделения блоку питания с линейным регулятором потребуется радиатор. Только эти два компонента делают устройство очень тяжелым и громоздким по сравнению с небольшим форм-фактором импульсного источника питания.

Предпочитаемые приложения

Линейные стабилизаторы известны своей низкой эффективностью и большими размерами, но они обеспечивают бесшумное выходное напряжение. Это делает их идеальными для любого устройства, требующего высокой частоты и низкого уровня шума, например:

Схемы управления
Малошумящие усилители
Процессоры сигналов
Автоматизированное и лабораторное испытательное оборудование
Датчики и схемы сбора данных

Преимущества и недостатки

Источники питания с линейной стабилизацией могут быть громоздкими и неэффективными, но их низкий уровень шума идеально подходит для приложений, чувствительных к шуму. Некоторые преимущества и недостатки этой топологии, которые следует учитывать, включают:

Простое приложение. Линейные регуляторы могут быть реализованы в виде целого пакета и добавлены в схему только с двумя дополнительными фильтрующими конденсаторами. Это позволяет инженерам любого уровня подготовки с легкостью планировать и проектировать их с нуля.
Низкая стоимость. Если вашему устройству требуется выходная мощность менее 10 Вт, то затраты на компоненты и производство намного ниже по сравнению с импульсными источниками питания.
Низкий уровень шума/пульсаций. Линейные стабилизаторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения и широкую полосу пропускания. Это делает их идеальными для любых чувствительных к шуму приложений, включая устройства связи и радио.

Недостатки

Ограниченная гибкость. Линейные регуляторы можно использовать только для понижения напряжения. Для источника питания переменного/постоянного тока трансформатор с выпрямлением и фильтрацией необходимо будет разместить перед линейным источником питания, что увеличит общие затраты и усилия.
Ограниченные результаты. Источники питания с линейной стабилизацией обеспечивают только одно выходное напряжение. Если вам нужно больше, вам нужно будет добавить отдельный линейный регулятор напряжения для каждого требуемого выхода.
Низкая эффективность. Среднее линейное регулируемое устройство достигает КПД 30-60% за счет рассеивания тепла.Это также требует добавления радиатора, который увеличивает размер и вес устройства.

В наше время энергоэффективных устройств низкий рейтинг эффективности линейного регулируемого источника питания может стать причиной сделки. Обычный блок питания с линейной стабилизацией будет работать с КПД около 60% при выходном напряжении 24 В. При потребляемой мощности 100 Вт вы теряете 40 Вт.

Прежде чем рассматривать возможность использования источника питания с линейной стабилизацией, мы настоятельно рекомендуем учитывать потери мощности на пути от входа к выходу. Вы можете быстро оценить эффективность линейного регулятора по следующей формуле:

Импульсный источник питания (SMPS)

Импульсные источники питания появились в 1970-х годах и быстро стали самым популярным способом подачи постоянного тока на электронные устройства. Что делает их такими замечательными? По сравнению с линейными регуляторами они отличаются высокой эффективностью и производительностью.

В стандартный адаптер переменного тока входит импульсный блок питания. (Источник изображения)

Как они работают

Импульсный источник питания регулирует выходное напряжение с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Этот процесс создает высокочастотный шум, но обеспечивает высокую эффективность при небольшом форм-факторе. При подключении к сети переменного тока 115 В или 230 В переменного тока сначала выпрямляются и сглаживаются набором диодов и конденсаторов, что обеспечивает высокое постоянное напряжение. Это высокое постоянное напряжение затем понижается с помощью небольшого ферритового трансформатора и набора транзисторов. Процесс понижения по-прежнему сохраняет высокую частоту переключения от 200 кГц до 500 кГц.

Низкое постоянное напряжение, наконец, преобразуется в постоянный постоянный ток с помощью другого набора диодов, конденсаторов и катушек индуктивности. Любая регулировка, необходимая для поддержания постоянного выходного напряжения, выполняется путем регулировки ширины импульса высокочастотного сигнала. Этот процесс регулирования работает через цепь обратной связи, которая постоянно отслеживает выходное напряжение и при необходимости регулирует коэффициент включения/выключения ШИМ-сигнала.

Вот импульсный блок питания, в котором деталей намного больше, чем в линейном. (Источник изображения)

Предпочитаемые приложения

Вы чаще всего найдете импульсные блоки питания, используемые в приложениях, где важны срок службы батареи и температура, например:

Электролиз, переработка отходов или применение топливных элементов
Двигатели постоянного тока, игровые автоматы, авиация и судостроение
Оборудование для исследований и разработок, производства и испытаний
Зарядка литий-ионных аккумуляторов, используемых в авиации и транспортных средствах.
Гальванопокрытие, анодирование и гальванопластика.

Преимущества и недостатки

Импульсные источники питания могут иметь более высокий КПД, чем линейные стабилизаторы, но их шум делает их плохим выбором для приложений радиосвязи и связи. Некоторые преимущества и недостатки этой топологии, которые следует учитывать, включают:

Малый форм-фактор. Понижающий трансформатор в SMPS работает на высокой частоте, что, в свою очередь, уменьшает его объем и вес. Это позволяет импульсному источнику питания иметь гораздо меньший форм-фактор, чем линейный стабилизатор.
Высокая эффективность. Регулирование напряжения в импульсном источнике питания осуществляется без отвода избыточного количества тепла. Эффективность SMPS может достигать 85–90%.
Гибкие приложения. Дополнительные обмотки могут быть добавлены к импульсному источнику питания, чтобы обеспечить более одного выходного напряжения. Импульсный источник питания с трансформаторной изоляцией также может обеспечивать выходное напряжение, которое не зависит от входного напряжения.

Недостатки

Сложный дизайн. По сравнению с линейными регуляторами планирование и проектирование импульсных источников питания обычно предназначено для специалистов по энергетике. Это не лучший выбор блока питания, если вы планируете разработать свой собственный без тщательного изучения или опыта.
Высокочастотный шум . Переключение МОП-транзистора в импульсном источнике питания приводит к появлению высокочастотных помех в выходном напряжении. Это часто требует использования радиочастотного экранирования и фильтров электромагнитных помех в устройствах, чувствительных к шуму.
Более высокая стоимость. Для более низкой выходной мощности 10 Вт или меньше дешевле использовать блок питания с линейной стабилизацией.

Источники питания с переключателями никуда не денутся, и их лучше всего использовать в приложениях, не чувствительных к шуму. Сюда входят такие устройства, как зарядные устройства для мобильных телефонов, двигатели постоянного тока и т. д.

Сравнение линейного регулятора и SMPS

Теперь мы собираемся провести окончательное сравнение между линейными регулируемыми и импульсными источниками питания при их параллельном сравнении. Некоторые из наиболее важных требований, которые необходимо учитывать, включая размер/вес, диапазон входного напряжения, рейтинг эффективности и уровень шума среди других факторов. Вот как это происходит:

Как спроектировать собственный источник питания В рамках этого блога невозможно объяснить, как спроектировать линейный регулируемый или импульсный источник питания. Тем не менее, есть несколько руководств, которыми мы хотели бы поделиться. Имейте в виду, что проектирование SMPS требует высокого уровня сложности и не рекомендуется для новичков в области проектирования электроники. Руководства по проектированию линейных регулируемых источников питания

Руководства по проектированию импульсных блоков питания

Питание включено Большинство электронных устройств в наши дни должны преобразовывать сеть переменного тока в стабильное выходное напряжение постоянного тока. Для этой цели следует рассмотреть две топологии: линейные регулируемые и импульсные источники питания. Линейное регулирование идеально подходит для приложений, требующих низкого уровня шума, в то время как импульсные источники питания лучше подходят для портативных устройств, где важно время автономной работы и эффективность. При принятии решения о том, какую топологию выбрать, всегда учитывайте требуемый рейтинг эффективности, форм-фактор, выходную стабилизацию и требования к шуму. Готовы спроектировать свой первый линейный регулируемый или импульсный источник питания? Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно уже сегодня!

Независимо от того, строите ли вы свой собственный светодиодный светильник, чините и модернизируете существующие светильники или покупаете новые светодиодные светильники, вам необходимо найти правильный источник питания для ваших светодиодов. Вам понадобится драйвер светодиода постоянного тока или источник питания постоянного напряжения (или их комбинация), чтобы ваши светодиоды работали правильно. Есть много различных факторов, которые следует учитывать при выборе источника питания для светодиодного освещения. В этой статье мы рассмотрим множество факторов и поможем вам выбрать правильный источник питания для ваших светодиодов!

ПЕРВОЕ… Убедитесь, что вы контролируете ток светодиодов

Большинству светодиодов требуется устройство ограничения тока (будь то драйвер или резисторы), чтобы предотвратить перенапряжение светодиодов. Этот драйвер постоянного тока или токоограничивающий резистор используется для регулирования тока светодиодов, обеспечивая их безопасную работу и максимально увеличивая срок их службы. Электрические характеристики светодиодов изменяются при нагреве; если ток не регулируется, светодиоды со временем будут потреблять слишком много тока. Это перерасход тока приведет к колебаниям яркости светодиода, что приведет к сильному внутреннему нагреву, что в конечном итоге приведет к выходу из строя светодиода. Если вы строите свой собственный светодиодный светильник или работаете с любым из наших звездообразных светодиодов, вам понадобится устройство постоянного тока в вашей системе. Большинство готовых светодиодных продуктов или светодиодных лент (которые вы покупаете прямо в магазине) уже имеют встроенные драйверы или резисторы для регулирования тока. Если вы не уверены, нужен ли вам источник постоянного тока, посмотрите этот полезный пост, чтобы узнать. Если у вас нет устройства ограничения тока, первым шагом будет поиск драйвера; но если ваш светодиодный продукт уже контролирует ток, вы можете следовать этому сообщению, чтобы найти источник питания постоянного напряжения.

Источник постоянного напряжения можно использовать для питания светодиодных ламп, в которых уже есть резисторы или драйверы постоянного тока. Эти типы продуктов обычно требуют постоянного напряжения постоянного тока. Если вы питаетесь от батареи или имеете постоянное напряжение постоянного тока, достаточное для ваших ламп, то считайте себя счастливчиком. В девяти случаях из десяти это не так, и вам понадобится блок питания, чтобы преобразовать вашу мощность в безопасное напряжение постоянного тока для ваших источников света. Например, светодиодные гибкие ленты имеют встроенные токоограничивающие резисторы (как вы можете видеть, встроенные в основание гибкой платы). Если бы вы захотели установить это в свой автомобиль, вам бы не понадобился источник питания. Автомобильные аккумуляторы выдают 12 В постоянного тока плюс-минус. Питания 12 В от аккумулятора будет вполне достаточно для ваших фонарей. Но для того, чтобы использовать эти полосы в домах, необходим преобразователь переменного тока в постоянный, который будет принимать стандартное бытовое напряжение 120 В переменного тока и преобразовывать его в 12 В постоянного тока.

Как правильно выбрать блок питания?

Поэтому вам нужен источник питания постоянного напряжения, который может преобразовывать переменное напряжение в домашнем хозяйстве в безопасное постоянное напряжение. Есть много факторов, которые влияют на поиск правильного источника питания для ваших нужд. Во-первых, мы должны заблокировать мощность, которая нам требуется от нашего источника питания.

Мощность

Для начала узнайте, сколько ватт будет потреблять ваш свет. Если вы хотите, чтобы от одного источника питания работало более одного источника света, вы должны суммировать мощности, чтобы найти общее количество используемых ватт. Удостоверьтесь, что у вас достаточно большой источник питания, предоставив себе запас на 20% от общей мощности, которую вы рассчитываете на основе своих светодиодов. Это легко сделать, умножив общую мощность на 1,2, а затем найдя блок питания, рассчитанный на эту мощность.

Скажем, например, у нас есть 4 ряда светодиодных лент мощностью около 12 Вт каждая. Простое их умножение покажет, что мощность нашей системы должна быть около 48 Вт. Теперь мы можем добавить 20% рекомендуемой амортизации с 48 x 1,2 = 57,6 Вт. Для этого проекта достаточно блока питания мощностью 60 Вт (или выше).

Напряжение/Ток

При сборке светодиодного светильника или замене неисправного источника питания важно сначала убедиться, что выходное напряжение совместимо с напряжением светодиодов. Светодиодные продукты со встроенными регуляторами тока, как правило, довольно хорошо определяют, какое входное напряжение следует использовать. Например, для наших гибких светодиодных лент можно использовать источник питания 12 В, поскольку это то, что им требуется.

Еще одно распространенное применение — использование мощных светодиодов с драйверами постоянного тока, для которых требуется входное напряжение постоянного тока. Скажем, у нас есть шесть светодиодов Cree, работающих от драйвера Mean Well LDD-H. Каждый светодиод работает при напряжении около 3,1 вольта. С шестью из них наше общее напряжение в этой последовательной цепи будет 18,6 В постоянного тока. Как правило, низковольтные драйверы, такие как Mean Well LDD-H, работают лучше, если у вас есть небольшой запас по напряжению, которое им требуется. Для этой установки я бы использовал источник питания с выходным напряжением не менее 24 В постоянного тока. Обратите внимание, что вы всегда должны убедиться, что используемый низковольтный драйвер (в данном случае Mean Well LDD-H) рассчитан на напряжение, которое вы хотите ввести. Mean Well LDD-H может работать от 9 до 56 В постоянного тока, так что в этой ситуации все готово. Узнайте больше о расчете напряжения в различных цепях здесь.

Кроме того, убедитесь, что выбранный вами блок питания выдерживает потребляемую мощность. Напряжение в сети будет меняться в зависимости от того, где вы находитесь в мире. Убедитесь, что вы знаете, какая мощность переменного тока у вас: низкая (90–120 В переменного тока) или высокая (200–240 В переменного тока). Многие блоки питания, такие как продукты Mean Well, будут рассчитаны на полный диапазон, но всегда полезно знать ваш вход переменного тока и убедиться, что используемый вами блок питания подходит для этого.

Блоки питания для светодиодов с регулируемой яркостью

Если ваши светодиоды поддерживают диммирование и вы хотите отрегулировать их яркость, убедитесь, что вы выбрали блок питания с возможностью диммирования. В спецификациях источника питания должно быть указано, является ли источник питания диммируемым или нет, и какой тип управления диммером он использует. Я кратко рассмотрю два типа элементов управления:

ШИМ-диммирование: также известное как диммирование с широтно-импульсной модуляцией, может использоваться со всеми блоками питания. Даже блоки питания на нашем сайте, на которых в спецификациях не указано «диммируемый», можно диммировать с помощью настенных или удаленных диммеров с ШИМ. Это связано с тем, что диммеры с широтно-импульсной модуляцией встроены в полосу света, затемняясь на стороне цепи 12 В постоянного тока. Диммеры PWM фактически пульсируют свет на высоких частотах, чтобы изменить восприятие света невооруженным глазом. Чем выше частота, тем ярче они будут.

TRIAC Dimming: этот тип затемнения позволяет регулировать яркость светодиодов с помощью стандартных диммеров. Вы должны убедиться, что источник питания подходит для диммирования переменного тока (TRIAC), проверив спецификации. Нашими текущими продуктами, которые предлагают такие элементы управления диммированием, являются блоки питания с регулируемой яркостью Magnitude. Эти источники питания работают, изменяя мощность на стороне переменного тока цепи с помощью диммера TRIAC. Изменение мощности, создаваемое диммером на входе переменного тока, будет изменять напряжение на выходе постоянного тока и управлять яркостью светодиодов. Диммеры TRIAC можно найти в обычных хозяйственных магазинах. Самыми популярными/узнаваемыми брендами будут Lutron и Leviton.

Температура и погода

Важным фактором, который нельзя упускать из виду при выборе блока питания, является область и окружающая среда, в которой он будет использоваться. Блоки питания работают наиболее эффективно, если они используются в пределах своих температурных параметров. Спецификации источника питания должны включать безопасный диапазон рабочих температур. Лучше всего работать в этом диапазоне и следить за тем, чтобы блок питания не размещался там, где может накапливаться тепло и превышать эту максимальную рабочую температуру.Как правило, втыкать блок питания в крошечный корпус без системы вентиляции — плохая идея. Это позволит даже минимальному теплу, выделяемому источником, накапливаться с течением времени и, в конечном итоге, нагревать источник питания. Поэтому убедитесь, что в помещении не слишком жарко или холодно, и что жара не может подняться до опасного уровня.

Каждый блок питания для светодиодов также имеет класс защиты от проникновения (IP). Степень защиты IP состоит из двузначного кода, указывающего размер твердых частиц и давление жидкости, которым может противостоять блок питания. Первое число относится к размеру твердых частиц, которые может выдержать устройство, а второе число относится к количеству жидкости, которое может выдержать устройство. По мере увеличения каждого числа растет и уровень защиты. По мере увеличения первого числа продукт становится защищенным все более и более мелкими объектами (вплоть до частиц пыли), что делает его менее восприимчивым к проникновению чего-либо и причинению ему вреда. По мере увеличения второго числа продукт переходит от защиты только при небольшом дожде к защите при полном погружении. Взгляните на полезную таблицу ниже и убедитесь, что у вас есть блок питания с классом защиты IP, который защитит ваш источник от окружающей среды, в которой он будет находиться.

Эффективность

Эффективность блока питания показывает количество энергии, которое фактически расходуется на то, чтобы светодиод загорелся. Чем выше процент эффективности источника питания, тем больше энергии вы в конечном итоге сэкономите. Для светодиодных приложений рекомендуется выбирать источник питания с КПД 80% или выше. Ознакомьтесь с блоками питания Mean Well и Phihong, чтобы выбрать наиболее эффективный вариант, поскольку их рейтинг эффективности достигает 90-го процентиля.

При выборе блока питания для светодиодного проекта важно знать, где он должен быть установлен. Если вы хотите поместить его внутрь продукта, который вы делаете, он должен быть достаточно маленьким, чтобы поместиться в отведенном месте. Если он находится вне приложения, у него должен быть способ установить рядом. Предлагается множество блоков питания различных размеров и форм, которые удовлетворят ваши потребности.

Класс II или Класс 2??

Эти два рейтинга легко спутать, поэтому давайте убедимся, что мы разобрались с ними сейчас, когда мы подошли к концу понимания блоков питания для светодиодов. Блок питания класса 2 соответствует ограниченным уровням мощности, определенным Национальным электротехническим кодексом (NEC), и соответствует требованиям стандарта UL 1310. Источники питания класса 2 ограничены 60 В постоянного тока и 100 Вт. Поскольку их мощность ограничена, блоки питания класса 2 не могут питать такое же количество светодиодов, как и другие источники питания, не соответствующие номиналу. Здесь вы должны решить, хотите ли вы работать на большей длине от одного источника питания или придерживаться безопасности источника питания класса 2, защищенного от огня и поражения электрическим током.

Класс II на самом деле относится только к входным и выходным проводам с двойной изоляцией. Драйверы класса II популярны, поскольку не требуют заземления.

Подберите наиболее подходящий блок питания

Надеюсь, этот пост помог вам подобрать подходящий блок питания для светодиодных фонарей. Существует множество вариантов на выбор, поэтому не торопитесь и выберите тот, который лучше всего подходит для вашей ситуации и соответствует требованиям безопасности из окружающей его области, чтобы он прослужил долго. Если вы ищете, с чего начать, я настоятельно рекомендую блоки питания Mean Well, это уважаемый бренд с большим количеством драйверов и расходных материалов для светодиодов с фантастическими гарантиями.

Читайте также: