Линейный блок питания с регулировкой тока и напряжения

Обновлено: 03.07.2024

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!

На первый взгляд переменный источник питания постоянного тока кажется довольно простым устройством. Тем не менее, это сложная, точная, электрически надежная рабочая лошадка. Он должен надежно подавать напряжение и ток, которые являются стабильными, точными и чистыми, независимо от резистивной, индуктивной, емкостной нагрузки, низкого импеданса, высокого импеданса, стационарного или переменного. Насколько хорошо блок питания выполняет эту миссию и где он достигает своих пределов, определяется в его спецификациях. Чтобы правильно выбрать блок питания для своего приложения, необходимо хорошо понимать его характеристики.

Ниже приведены технические характеристики линейных источников питания. Линейные источники питания долговечны, точны и обеспечивают мощность с низким уровнем шума. Их простые механизмы прямой обратной связи обеспечивают отличное регулирование нагрузки и общую стабильность. На рис. 1 показана упрощенная блок-схема линейного источника питания.

Рисунок 1. Упрощенная блок-схема программируемого линейного источника питания

Технические характеристики линейного источника питания

Может показаться, что существует множество спецификаций для линейных источников питания, но их можно сгруппировать в три логические категории: точность и разрешение, стабильность и характеристики переменного тока. Мы опишем ключевые характеристики, которые попадают в каждую из этих групп.

Большинство блоков питания постоянного тока имеют два режима работы. В режиме постоянного напряжения (CV) источник питания регулирует выходное напряжение на основе пользовательских настроек. В режиме постоянного тока (CC) источник питания регулирует ток. Находится ли блок питания в режиме CV или CC, зависит не только от пользовательских настроек, но и от сопротивления нагрузки. Блок питания имеет разные характеристики, которые применяются, когда он находится в режиме CV и в режиме CC.

Точность и разрешение

В любой момент времени напряжение или ток регулируются источником питания и соответствуют настройке с точностью прибора.

В режиме CV выходное напряжение соответствует настройке напряжения в пределах технических характеристик прибора. Ток определяется импедансом нагрузки.
В режиме CC выходной ток соответствует установленному пределу тока. Напряжение определяется импедансом нагрузки.

Исторически сложилось так, что пользователи блоков питания постоянного тока обращались к потенциометрам для установки выходного напряжения или тока. Сегодня микропроцессоры получают ввод от пользовательского интерфейса или от удаленного интерфейса. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) берет цифровую настройку и переводит ее в аналоговое значение, которое используется в качестве эталона для аналогового регулятора. Значения разрешения и точности настройки определяются качеством этого процесса преобразования и регулирования.

Установки напряжения и тока (иногда называемые пределами или запрограммированными значениями) имеют связанные с ними характеристики разрешения и точности. Разрешение этих настроек определяет минимальное приращение, с которым можно регулировать выходной сигнал, а точность описывает степень, в которой значение выходного сигнала соответствует международным стандартам.Спецификации настройки и считывания следует рассматривать отдельно. Хорошая производительность по точности считывания не обязательно означает хорошую производительность по точности настройки.

Большинство источников питания постоянного тока оснащены встроенными измерителями для измерения как напряжения, так и силы тока. Измерители измеряют напряжение и ток, подаваемые на выходе источника питания. Поскольку измерители считывают напряжение и ток обратно в источник питания, измерения, производимые измерителями, часто называют считываемыми значениями. Большинство профессиональных источников питания включают в себя цифровые измерители, в которых используются аналого-цифровые преобразователи, и технические характеристики этих внутренних приборов аналогичны характеристикам цифрового мультиметра. Блок питания отображает показания счетчиков на передней панели, а также может передавать их через удаленный интерфейс, если он им оборудован.

Настройка точности

Точность настройки определяет, насколько регулируемый параметр близок к своему теоретическому значению, определенному международным стандартом. Неопределенность выходного сигнала в источнике питания в значительной степени связана с погрешностями в ЦАП, включая ошибку квантования. Точность настройки проверяется путем измерения регулируемой переменной с помощью прослеживаемой прецизионной измерительной системы, подключенной к выходу источника питания. Точность настройки определяется как:

±(% от настройки + смещение)

Например, блок питания Keithley 2200-32-3 имеет спецификацию точности настройки напряжения ±(0,03% + 3 мВ). Поэтому, когда он настроен на подачу 5 В, погрешность выходного значения составляет (5 В) (0,0003 + 3 мВ), или 4,5 мВ. Точность текущей настройки задается и рассчитывается аналогичным образом.

часто называются значениями обратного чтения. Большинство профессиональных источников питания включают в себя цифровые измерители, в которых используются аналого-цифровые преобразователи, и технические характеристики этих внутренних приборов аналогичны характеристикам цифрового мультиметра. Блок питания отображает показания счетчиков на передней панели, а также может передавать их через удаленный интерфейс, если он им оснащен.

Настройка разрешения

Разрешение настройки — это наименьшее изменение настроек напряжения или тока, которое можно выбрать для источника питания. Этот параметр иногда называют разрешением программирования. Спецификация разрешения ограничивает количество дискретных уровней, которые можно установить. Часто это определяется комбинацией доступных цифр пользовательского интерфейса и количества битов, доступных в ЦАП. ЦАП с большим количеством битов имеет более точное управление своим выходом и может выдавать более четкие значения для контура управления, чтобы использовать их в качестве эталона. Однако с поправками на ошибки смещения и усиления разрешение будет меньше, чем предполагает количество битов в ЦАП.

Изменение параметра за один шаг разрешения не всегда может привести к соответствующему изменению выходных данных. Однако спецификация точности настройки регулирует взаимосвязь между настройками и выходным сигналом, и откалиброванный инструмент должен работать в пределах этого допуска.

Настройка разрешения может быть выражена в виде абсолютного значения или в процентах от полной шкалы. Например, разрешение настройки напряжения на Keithley 2200-32-3 составляет 1 мВ, а разрешение настройки тока — 0,1 мА.

Точность считывания

Точность показаний иногда называют точностью счетчика. Он определяет, насколько близки внутренне измеренные значения к теоретическому значению выходного напряжения (после применения точности настройки). Как и цифровой мультиметр, он тестируется с использованием прослеживаемого эталонного стандарта. Точность считывания выражается как:

±(% от измеренного значения + смещение)

Разрешение повторного чтения

Разрешение считывания – это наименьшее изменение внутреннего измеренного выходного напряжения или тока, которое может обнаружить блок питания. Обычно выражается как абсолютное значение, но также может быть указано в процентах от полной шкалы. Разрешение считывания напряжения на Keithley 2200-32-3 составляет 1 мВ, а разрешение считывания тока — 0,1 мА. См. рис. 2

Рисунок 2. Младшие значащие цифры на верхнем дисплее соответствуют разрешению считывания 1 мВ и 0,1 мА приборов Keithley Series 2200. Младшие значащие цифры на нижнем дисплее соответствуют настроенному разрешению.

Использование Remote Sense для повышения точности определения напряжения

Падение напряжения в кабелях, по которым проходит ток между источником питания и тестируемым устройством (ИУ), означает, что напряжение на ИУ меньше, чем напряжение на выходных клеммах источника питания. Использование более толстого провода снижает падение напряжения на измерительных проводах любого источника питания. Также помогает максимально короткая длина кабелей. Если источник питания оснащен функцией удаленного измерения, использование четырехпроводного соединения может помочь убедиться, что напряжение, которое вы устанавливаете на источнике питания, соответствует напряжению, которое вы получаете на тестируемом устройстве.

При четырехпроводном соединении источника питания с ИУ по одному набору проводов проходит выходной ток, а другой набор проводов используется источником питания для измерения напряжения непосредственно на клеммах ИУ, как показано на рис. 3. Измерительные провода подключены внутри источника питания к цепи вольтметра с высоким импедансом; следовательно, ток, близкий к нулевому, течет по измерительным проводам, практически исключая падение напряжения в этих проводах. Источник питания поддерживает требуемое выходное напряжение на измерительных проводах, увеличивая напряжение на выходе для компенсации падения напряжения на проводах источника, которые подают ток на ИУ.

Рисунок 3. Дистанционное измерение устраняет влияние сопротивления выводов, отделяя цепь источника от цепи датчика. Источник настраивается для поддержания заданного напряжения на нагрузке.

Характеристики стабильности

Характеристики стабильности описывают, как блок питания реагирует на изменения. В нескольких спецификациях указывается способность прибора обеспечивать стабильный выходной сигнал в течение короткого времени. В этом разделе обсуждаются характеристики, описывающие стабильность выходного сигнала в условиях изменения нагрузки, сетевого напряжения переменного тока и температуры.

В долгосрочной перспективе характеристики блока питания неизбежно изменяются из-за старения. Проблемы долгосрочной стабильности решаются путем регулярной проверки и калибровки приборов. Блоки питания Keithley имеют годичный цикл калибровки.

Температурная стабильность

Обсуждаемые выше точности обычно указываются как действительные в определенном диапазоне около 25 °C. Типичный диапазон составляет от 20°C до 30°C (от 68°F до 86°F). Если вы используете блок питания в лабораторных условиях со стабильной температурой окружающей среды, то влияние температуры на выход должно быть небольшим. Если, с другой стороны, вы работаете в промышленных условиях или на полевых установках, где температура может значительно отличаться от комнатной, важно учитывать это при определении точности. Неопределенность выходных данных увеличивается по мере отклонения температуры окружающей среды от комнатной.

Регулировка нагрузки (напряжение и ток)

Регулирование нагрузки — это мера способности выходного канала оставаться постоянной при изменении нагрузки. См. рис. 4. При изменении импеданса ИУ регулируемый параметр не должен существенно изменяться. Конечно, если нагрузка изменяется слишком сильно, регулируемый параметр может изменяться между напряжением и током, в зависимости от установки предела для нерегулируемого параметра. Предполагая, что источник питания не достигает этой точки пересечения, он поддерживает низкий выходной импеданс при работе в качестве источника напряжения и высокий выходной импеданс при работе в качестве источника тока.

Рисунок 4. На этом экране осциллографа показано регулирование выходного напряжения на Keithley 2200-32-3 при переходе нагрузки от рисунка 0A к рисунку 2,8A. Напряжение остается стабильным на протяжении всего перехода.

Регулировка нагрузки может быть задана несколькими способами. Например, регулирование напряжения может быть выражено как изменение напряжения на потребляемый ампер. Однако большинство производителей блоков питания, в том числе Keithley, определяют регулирование нагрузки как точность выходного сигнала при значительном изменении нерегулируемого параметра. Этот знакомый формат легко понять и легко проверить с помощью тестирования:

±(% от настройки + смещение)

Спецификации регулирования нагрузки Keithley проверяются с регулируемой переменной, установленной на полную шкалу. Нерегулируемая переменная изменяется от 0 до 98 %, а выходные данные проверяются на соответствие соответствующей спецификации.

В качестве примера используем источник питания Keithley 2200-32-3. Спецификация регулирования нагрузки для выходного напряжения составляет ±0,01% от выбранного выходного напряжения +2 мВ, поэтому при его полной номинальной выходной мощности 32 В выходное напряжение остается в пределах ± 5,2 мВ, даже когда нагрузка изменяется от нулевой до чуть менее 3 А, что является максимальным номинальным током прибора.

Регулирование нагрузки для режима CC определяется аналогично регулированию нагрузки для режима CV. Регулирование тока нагрузки описывает, как выходной ток источника питания изменяется в ответ на ступенчатое изменение импеданса нагрузки

Регулировка линии (напряжение и ток)

Стабилизация сети — это мера способности источника питания поддерживать свое выходное напряжение или выходной ток, в то время как входное напряжение и частота сети переменного тока изменяются во всем допустимом диапазоне. Напряжение и частота сети сильно влияют на доступную мощность для питания выход, особенно когда максимальный ток потребляется от источника питания.

В лаборатории со стабильным напряжением нагрузки переменного тока при тестировании в течение коротких промежутков времени стабилизацию сети можно игнорировать. Тем не менее, если вы работаете в зоне, подверженной просадкам и скачкам сетевого напряжения переменного тока, или проводите испытания в течение продолжительного времени, регулирование сети является важным фактором.

Стабилизация линии напряжения может быть задана как отношение изменения выходного напряжения постоянного тока к изменению напряжения и частоты линии переменного тока (среднеквадратичное значение). Однако, чтобы соответствовать большинству спецификаций испытательного оборудования, производители обычно выражают регулирование линии как неопределенность выходного сигнала в диапазоне допустимых параметров линии переменного тока. Это дает наихудший случай и задается как:

±(% от настройки + смещение)

Например, Keithley 2200-32-3 имеет спецификацию регулирования напряжения ±(0,01% + 1 мВ). Поэтому, когда он настроен на подачу 32 В постоянного тока, выходное напряжение остается в пределах (32 В) (0,01% + 1 мВ) = 4,2 мВ, даже если напряжение источника переменного тока изменяется во всем допустимом диапазоне.

Текущая регулировка нагрузки является сопоставимой спецификацией. Вместо указания допустимого изменения выходного напряжения при изменении источника переменного тока указывается величина допустимого изменения тока при изменении источника переменного тока. Эта спецификация обычно действительна в допустимом диапазоне напряжения и частоты источника переменного тока.

Характеристики АС

Хотя мы обсуждаем блоки питания постоянного тока, выходная мощность этих блоков питания не соответствует идеальному постоянному току. На выходе ожидается некоторый переменный ток. В некоторых приложениях высокий уровень переменного тока на выходе может вызвать неожиданное поведение схемы, поэтому полезно знать амплитуду остаточного переменного тока. В дополнение к шуму переменного тока может быть полезно знать переходную реакцию источника питания на изменения нагрузки и настроек. Например, при автоматизированном тестировании важно знать, когда источник питания стабилизируется в ответ на изменение настроек.

Характеристики пульсации и шума

Побочные компоненты переменного тока на выходе источника постоянного тока называются пульсациями и шумами или периодическими и случайными отклонениями (PARD). Эти термины часто используются взаимозаменяемо. Термин «пульсация» относится к периодическому переменному току на выходе. При просмотре в частотной области пульсации проявляются как ложные отклики. В отличие от пульсаций, которые носят периодический характер, шум является случайным. Шум охватывает широкий спектр и при рассмотрении в частотной области проявляется как увеличение базовой линии. См. рис. 5 и 6. Поскольку пульсации и шум обычно смешиваются вместе и не могут быть легко отделены друг от друга, в этом примечании по применению мы будем использовать аббревиатуру PARD для обозначения комбинированных эффектов.

Рис. 5. На этом упрощенном рисунке показаны концепции периодического (пульсация) и случайного (шум) искажения.

Рис. 6. Это измерение шума было выполнено с помощью датчика 1X и полосы пропускания примерно 7 МГц, когда источник питания выдавал полный номинальный ток.

Спецификации PARD должны быть указаны с пропускной способностью и должны быть указаны как для тока, так и для напряжения. Текущий PARD актуален при использовании источника питания в режиме CC и часто указывается как среднеквадратичное значение. Поскольку форма PARD не определена, напряжение PARD обычно выражается как среднеквадратичное напряжение, которое может дать представление о мощности шума, а также как размах напряжения, который может иметь значение при работе с высоким импедансом. загружает.

Из-за соображений пропускной способности спецификации PARD сильно зависят от метода измерения, используемого для их тестирования. Обычно вы можете найти процедуру проверки PARD в процедуре проверки производительности производителя. Важно учитывать весь путь сигнала, используемый для проверки характеристик пульсаций и шума. Например, использование широкополосного осциллографа с пробником с узкой полосой пропускания может привести к тому, что характеристики будут выглядеть лучше, чем они есть на самом деле. Спецификации напряжения PARD для Keithley 2200-32-3 иллюстрируют это. Спецификация напряжения PARD составляет 1 мВСКЗ и 4 мВ_P-P в полосе пропускания от 20 Гц до 7 МГц. Более широкая полоса пропускания также указана для частот от 20 Гц до 20 МГц. Эта спецификация составляет 3 мВ_RMS и 20 мВ_P-P.

Переходный отклик

Другой набор характеристик переменного тока описывает, насколько быстро блок питания может реагировать на изменения. Характеристики переходной характеристики показывают, насколько быстро выходной сигнал стабилизируется до стабильного значения постоянного тока после изменения нагрузки или настроек. Большинство источников питания имеют большую емкость параллельно своим выходам, что помогает обеспечить чистый, стабильный постоянный ток.Когда эта емкость размещена параллельно сопротивлению нагрузки, получается постоянная времени, и размер постоянной времени зависит от импеданса нагрузки. Из-за сильной зависимости от сопротивления нагрузки реакция на изменение настроек должна быть указана для конкретной нагрузки. Обычно можно увидеть спецификации для разомкнутых цепей, коротких замыканий или удельных значений сопротивления.

Переходная характеристика тестируется путем внесения значительных ступенчатых изменений в импеданс нагрузки и настроек источника питания, а также измерения времени до достижения конечного значения. Переходная характеристика напряжения для всех блоков питания Keithley Series 2200 дана для трех условий: увеличение нагрузки, увеличение уставки и уменьшение уставки.

Мы – компания, занимающаяся анализом результатов, стремящаяся к эффективности и руководствующаяся возможностями. Компания Tektronix разрабатывает и производит решения для испытаний и измерений, которые преодолевают барьеры сложности и ускоряют глобальные инновации.

Линейный источник питания — это блок питания (БП), который не содержит коммутационных или цифровых компонентов. Он обладает некоторыми выдающимися характеристиками по сравнению с импульсными блоками питания, такими как очень низкий уровень шума и пульсаций, устойчивость к сетевым помехам, простота, надежность, простота конструкции и ремонта. Они также могут генерировать очень высокие напряжения (тысячи вольт) и очень низкие напряжения (менее 1 В). Они могут легко генерировать несколько выходных напряжений. С другой стороны, они большие по размеру и тяжелые, и нуждаются в большем теплоотводе. Линейные источники питания существуют уже несколько десятилетий, задолго до появления полупроводников.

Линейные блоки питания могут быть фиксированными, например, как источник питания 5 В, который может понадобиться для логической схемы, или несколько фиксированных источников питания, необходимых для ПК (+5, +12 или -12 В). На настольном блоке питания лабораторного типа вы хотели бы использовать переменный блок питания. В дополнение к одиночным источникам питания вы также можете получить двойные источники питания, скажем, для схем операционных усилителей ±15 В, и даже двойные источники слежения, синхронизированные по напряжению друг с другом в источниках питания, где дрейф не является незначительным.

Логические и микропроцессорные схемы +5 В
Светодиодное освещение +12 В, общая электроника
Схемы операционных усилителей ±15 В
Питание для стендовых испытаний 0–30 В
Зарядное устройство +14,5 В

В этой статье мы рассмотрим отдельные компоненты блока питания, затем с нуля разработаем небольшой источник питания 12 В и регулируемый двойной источник питания 1–30 В.

Разборка линейного блока питания

Секция ввода сети содержит соединения с сетью, обычно выключатель, предохранитель и своего рода контрольную лампу. Используйте надежное заземление и изолируйте все сетевые части внутренней проводки с помощью изоляции для защиты от случайного прикосновения.

Трансформатор выбирается в соответствии с требуемым выходным напряжением и эффективно изолирует все остальные цепи от сети. Трансформатор может иметь несколько ответвлений на первичной обмотке, чтобы обеспечить различные входные напряжения сети, и несколько ответвлений на вторичной обмотке, соответствующие требуемому выходному напряжению. Кроме того, между первичным и вторичным ответвлениями имеется экран из медной фольги, который помогает уменьшить емкостную связь с высокочастотным сетевым шумом.

Выпрямитель может быть простым однорядным диодом (не подходит), двухполупериодным мостом с отводом от средней точки или двухполупериодным мостом. Необходимо указать используемые диоды (выпрямители). Они дешевы и малы, и используют более здоровенные, чем предполагалось. По моему опыту ремонта многих неисправных блоков питания, проблемы обычно вызваны выходом из строя диода либо из-за слишком большого тока, либо из-за скачков напряжения в сети. Учитывая это, выберите диод с высоким PIV (пиковое обратное напряжение). Когда вы монтируете диоды, держите выводы на длинной стороне, так как именно здесь рассеивается большая часть их тепла. В высоковольтных источниках питания обычно используются небольшие конденсаторы, подключенные параллельно диодам, чтобы помочь им быстрее восстановиться.

Конденсатор является очень трудолюбивым компонентом и должен заряжаться до пика вторичного напряжения (Vsec * 1,414), а затем быстро разряжаться на нагрузку. Конденсаторы из алюминиевой фольги представляют собой рулон туалетной бумаги и алюминия, наполненный маслом, и они имеют репутацию высыхающих и, следовательно, теряющих емкость. Если возможно, разместите их подальше от любых источников тепла в вашем макете. Танталовые конденсаторы имеют гораздо более низкое ESR (эквивалентное последовательное сопротивление), поэтому лучше справляются с пульсациями. Вы можете использовать их в схеме регулятора. При разводке старайтесь свести все земли к одной точке. Конденсатор - хорошая точка для использования. На рисунке ниже показан резистор, который отлично подходит для продувки этого колпачка, когда блок питания выключен. Регулятор также должен иметь небольшой выходной ток, когда он не находится под нагрузкой; 1k будет достаточно.

На приведенном ниже рисунке зеленая кривая — это то, как выглядел бы сигнал без конденсатора, а кривая красного цвета — это «заполнение» конденсатора в каждом полупериоде, а затем разряд из-за тока нагрузки. Результирующий сигнал представляет собой пульсирующее напряжение.

Регулятор бывает разных типов: последовательный, шунтирующий, простой и сложный. О регуляторах будет отдельная статья, но в этом руководстве мы сосредоточимся на разработке двух простых стабилизаторов на основе ИС с фиксированным регулятором 7812 и регулируемым регулятором LM317.

Проектирование линейного источника питания

Разработка блока питания похожа на чтение на иврите: вы начинаете с конца и возвращаетесь к началу. Ключевой спецификацией является напряжение, которое мы хотим получить на выходе, и то, какой ток мы можем извлечь из него, не снижая напряжения. Для этого проекта давайте нацелимся на 12 В при 1 А и 3 В на регуляторе. Любой регулятор будет иметь определенную необходимую разницу между входным и выходным напряжениями для правильной работы. Если не указано, предположим, что это минимум 3 В. Некоторые регуляторы, которые мы здесь используем, рассчитаны только на 2 В.

Если на выходе нам нужно 12В, то на конденсаторе нужно 12+3=15В. Теперь, когда этот конденсатор заряжается и разряжается, должна присутствовать составляющая переменного тока, и это напряжение пульсаций (V_ripple). Чем больше ток, потребляемый конденсатором, тем сильнее пульсации, и это также необходимо указать. При выборе 10 %, т. е. 1,2 В размах, ограничение рассчитывается следующим образом:

где f равно 50 или 60 в зависимости от частоты вашей сети. Следовательно, нам нужно:

Это возвращает нас к диодам. Поскольку диоды обеспечивают не только ток нагрузки, но и ток заряда конденсатора, они потребляют больше тока.

В двухполупериодном мосту ток составляет 1,8 * I_{нагрузка}. В центральном положении это 1,2 * I_{нагрузка}. Учитывая это, мы должны использовать диоды не менее 2А.

Теперь это возвращает нас к вторичной обмотке трансформатора и ее удельному напряжению. В любой надежной системе мы должны учитывать допуски. Если мы будем следовать только минимальным конструктивным требованиям, входной сигнал регулятора может упасть ниже нуля, что в значительной степени повлияет на сеть. В коммерческих проектах обычно указывается ±10 %, поэтому, если наше питание составляет 230 В, это означает, что оно может упасть до 207 В.

Таким образом, напряжение на вторичной обмотке должно быть следующим:

где 0,92 — КПД трансформатора, а 0,707 — 1/√2

V_reg – падение напряжения регулятора, V_прямое – падение напряжения на двух диодах, которое составляет 2 * 0,7 для схемы с центральным отводом и 4 * 0,7 для полного моста. . V_{пульсация} была указана как 10 % от 12 В, или 1,2 В, поэтому

В_сек = 15,03 В

Это означает, что стандартного трансформатора на 15 В должно хватить. Иногда вы не можете найти подходящий трансформатор и вам нужно выбрать другой с более высоким напряжением. Недостатком этого является то, что регулятор будет иметь более высокое напряжение на нем, и, как следствие, больше энергии будет рассеиваться в его радиаторе.

Последнее, что нужно указать сейчас, это размер трансформатора в ВА. Это простая и распространенная ошибка – думать, что ВА будет равно В_сек*I_{нагрузка}, то есть 15*1 = 15 ВА. Но мы не должны забывать, что трансформатор также заряжает конденсатор, поэтому в зависимости от конфигурации 1,2 или 1,8 * I_{нагрузка} означает большую разницу, т. е. 1,8 * 1 * 15 = 27 ВА.

На этом дизайн завершается. Но как быть с предохранителем? Это целая наука сама по себе, но для этого простого блока питания я бы оценил его в 2 раза больше первичного входного тока. Таким образом, в этом случае VA равно 27, а напряжение сети Vin равно 230 В, а I = 2 * 27/230 = 250 мА.

Теперь мы можем добавить в регулятор несколько последних компонентов:

Для C1 мы разработали его на 4200 мкФ. Но поскольку регулятор удалит большую часть пульсаций, она может быть меньше или вдвое меньше, чем 2200 мкФ. Назначение С2 и С3 - обеспечить стабильность и помехозащищенность регулятора. National Linear обычно делает C2 10 мкФ и C1 1 мкФ. В идеале это должны быть танталовые типы, но если вы вынуждены использовать алюминий, вам следует удвоить значение.

D3 часто игнорируют, но он важен. Если на входе регулятора произойдет короткое замыкание, любая накопленная емкость в нагрузке Vcc, включая C3, разрядится на заднюю часть регулятора и, возможно, уничтожит его. Но D3 обходит это.

Теперь давайте заменим фиксированный регулятор на регулируемый, основанный на популярном и простом в использовании LM317, и добавим дополнительную отрицательную версию, LM337, чтобы сформировать блок питания с двойной регулировкой.Обратите внимание, что мы использовали трансформатор с отводом от средней точки, а также мостовой выпрямитель. Следующие примечания в равной степени относятся к отрицательной половине блока питания. Осталось разработать R6 и R7.

Если сделать R6 = 220, то для любого напряжения между V_max и V_min, R7 = (176*V_out) – 220. Итак, если вы хотите 9 В, R7 будет 176 * 9 – 220 = 1k4. Вы можете использовать двойной потенциометр от 5 до 10k (линейный), чтобы настроить обе стороны одновременно. Трансформатор со вторичной обмоткой 25/0/25 подойдет. С8 и С9 дают помехоустойчивость и могут быть 10мкФ. C10 и C11 - 1 мкФ, C4 и C7 - 1000 мкФ. Минимальное выходное напряжение составляет около 1,25 В.

Несколько примеров небольших линейных блоков питания своими руками

Надеемся, что эта статья ответила на все ваши вопросы о линейных источниках питания, но оставьте комментарий ниже, если вам нужны дополнительные пояснения!

В самом простом определении источник питания — это электрическая цепь, которая преобразует некоторую форму энергии в электрическую, обеспечивая питание любого электронного устройства. Обычно существует четыре типа блоков питания:

Нерегулируемый линейный
Регулируемая линейная
Феррорезонанс
Переключить режим

Основные различия между этими четырьмя блоками питания включают размер, вес, экономическую эффективность, выходное напряжение и пульсации. В этой серии статей, состоящей из двух частей, мы рассмотрим, чем каждый из них отличается от другого и каковы их особенности.

В первой части серии статей "Основы источников питания" мы обсуждаем регулируемые линейные и нерегулируемые линейные источники питания.

Регулируемый и нерегулируемый источник питания: чем они отличаются?

Основное различие между регулируемым и нерегулируемым блоком питания заключается в наличии или отсутствии регулирования напряжения. В случае регулируемого линейного напряжения регулируется напряжение, что означает, что любое изменение входного напряжения не отражается на выходе. Наоборот, нестабилизированные блоки питания не имеют регулировки напряжения и по этой причине напряжение на выходе не регулируется.

Регулируемый линейный источник питания

Под регулированием напряжения в регулируемых источниках питания понимается поддержание напряжения на нужном уровне. Это особенно подходит для чувствительных подключенных устройств, поскольку регулируемое напряжение обеспечивает плавную и стабильную подачу напряжения.

Процесс создания регулируемого напряжения включает ряд подфункций. Сначала питание переменного тока понижается до желаемого выходного уровня, а затем уменьшенное напряжение переменного тока преобразуется в положительную форму с помощью схемы выпрямления диодного моста. Схема фильтра, состоящая из параллельно подключенного конденсатора, преобразует положительный сигнал в пульсирующее постоянное напряжение, и, наконец, схема регулятора устраняет пульсации постоянного тока, обеспечивая стабильное напряжение на подключенной нагрузке.

Регулируемые линейные блоки питания идеально подходят практически для всех типов электронных устройств, поскольку эти блоки питания обеспечивают плавную подачу напряжения.

Нерегулируемый линейный источник питания

Как упоминалось ранее и как следует из названия, в нерегулируемом линейном источнике питания не используется регулировка напряжения. Кроме того, основные функции нерегулируемого источника питания аналогичны регулируемым линейным источникам питания. Входное напряжение переменного тока, как и в регулируемом источнике питания, сначала обрабатывается, а затем преобразуется в пульсирующее постоянное напряжение через конденсатор фильтра. Но так как нестабилизированные блоки питания не имеют схемы регулятора напряжения, то с пульсациями выходного постоянного напряжения не избавиться. Это приводит к провалам напряжения, которые часто отражаются на выходе.

Подведение итогов: регулируемые линейные и нерегулируемые линейные блоки питания

Короче говоря, регулируемые источники питания, использующие схему регулятора напряжения, преобразуют основное напряжение переменного тока в чистое, стабильное напряжение постоянного тока без помех и колебаний. Напротив, нестабилизированный источник питания обеспечивает пульсирующее постоянное напряжение, только выпрямляя переменный ток.

Ключевые отличия

Регулируемый — выходное напряжение регулируемых источников питания не изменяется независимо от тока, потребляемого нагрузкой. Напряжение не зависит от тока нагрузки.
Нерегулируемый. Выходное напряжение нестабилизированных источников питания зависит от выходного тока, в основном из-за высокого внутреннего сопротивления источника питания.

Регулируемый. Области применения регулируемого источника питания включают телевизоры, компьютеры и другие высокочувствительные электронные устройства, где колебания напряжения могут быть фатальными.
Нерегулируемый. Электрические устройства, такие как светодиодные лампы и двигатели постоянного тока, которые не так чувствительны к колебаниям напряжения, могут использовать нерегулируемые источники питания.

Регулируемые. Регулируемые источники питания сравнительно дороги, поскольку в них встроены схемы стабилизации напряжения.
Нерегулируемый: нерегулируемые блоки питания недороги из-за меньшего количества компонентов.

В части 2 нашей серии статей "Основы источников питания" мы обсудим феррорезонансные и импульсные источники питания.

Читайте также: