Стабильная работа в любых условиях: источники питания SITOP Power
SITOP Power – обширная линейка стабилизированных источников питания от Siemens, предназначенная для работы в самых разных областях промышленности – в химической, машиностроительной, робототехнической и других. Данные источники питания подойдут практически для любых задач благодаря мощному функционалу, широкому диапазону рабочих температур, работе с нестандартными напряжениями и многим другим преимуществам.
Ни для кого не секрет, что оборудование компании Siemens широко применяется на промышленных предприятиях России и ближнего зарубежья и по количеству установок занимает первое место. И это естественно, ведь промышленное оборудование производства Siemens отличается высочайшим качеством, и это доказано временем. Если «мозгом» любой автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) является программируемый логический контроллер (ПЛК), то «сердцем» будет источник питания.
Чтобы правильно подобрать источники питания, необходимо понимать принципы работы блоков питания.
Как устроен стабилизированный блок питания
Стабилизированный источник питания – это источник питания, который содержит аналоговую, импульсную или цифровую схему регулирования, благодаря которой поддерживаются постоянные выходные параметры – ток и напряжение при скачках входного напряжения. Также схема обеспечивает защиту от короткого замыкания и перегрузок.
В нестабилизированном источнике питания такая схема отсутствует. Он состоит из входного и выходного фильтров, входного и выходного выпрямителей, генератора импульсов и трансформатора, защищающего нагрузку только от перенапряжений (рисунок 1). Как видно из этого рисунка, выходное напряжение получается неустойчивым. Его параметры очень сильно зависят от качества питающей электросети. Но при этом КПД выше, чем у стабилизированного источника питания, а нагрев ниже, так как нет контура регулирования, который требует дополнительной энергии.
Серия SITOP Power относится к стабилизированным импульсным блокам питания (рисунок 2).
Рис. 1. Структурная схема простейшего блока питания
Рис. 2. Структурная схема стабилизированного блока питания
В таких блоках входное переменное или постоянное напряжение (Uвх) выпрямляется и преобразуется в импульсы высокой частоты. Эти импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Соответственно, на вторичной обмотке появляются импульсы такой же частоты, но другого напряжения. Это напряжение снова выпрямляется и подается на блок стабилизации, и уже потом – на выход блока питания. Автоматическое регулирование заключается в коррекции номинального (Uвых.ном) и реального (Uвых) выходных напряжений.
Диапазон входных напряжений. Чем больше данный диапазон – тем надежней работа блока питания, например, при повышенном или пониженном напряжении. Линейка SITOP Power имеет очень широкий диапазон – 85…264 В постоянного тока и 400…500 В переменного тока. При этом, номинальное напряжение у однофазных блоков питания выбирается с помощью перемычки – 120 или 220 В.
Допустимое перенапряжение – кратковременный всплеск напряжения, при котором выходной ток (Iвых) все еще равен номинальному току (Iвых.ном). У семейства SITOP Power эта величина равна Uвх*2,3 в течение 1,3 мс.
Допустимый перерыв в питании – исчезновение входного тока (Iвх) до 3 мс, при которой Iвых = Iвых.ном.
Предельный импульсный ток включения. В момент включения блока питания происходит зарядка емкостей входного фильтра. Величина входного тока при этом может превышать номинальный в 3…4 раза. Если ток при запуске установки превышает значение импульсного тока включения, рассчитанный для конкретной модели – необходимо применять ограничитель пускового тока. Его отсутствие в таких случаях может привести к периодическому срабатыванию автоматического выключателя из-за больших пусковых токов.
Ограничитель пускового тока. Он необходим для уменьшения импульсных токов включения емкостей во входных цепях до безопасного уровня. Ограничитель устанавливается в разрыв цепи после автомата и перед одним или несколькими блоками питания и ограничивает их пусковые токи.
Корректор коэффициента мощности (PFC) или компенсатор реактивной мощности предназначен для снижения реактивной мощности, потребляемой блоком питания. Классическая схема выпрямления переменного тока состоит из диодного моста и конденсатора. Проблема в том, что ток заряда конденсатора представляет собой импульс и имеет очень большое значение. Например, сетевой ток импульсного источника питания при 300 Вт и 220 В будет примерно 1 А, импульсный – 4 А. А если источников будет несколько и большей мощности – скорее всего, начнутся проблемы с проводкой, розетками, поступят огромные счета за электричество. Для решения данной проблемы применяют специальный электрический модуль – корректор коэффициента мощности, который уменьшает импульсы. Он располагается между конденсатором и выпрямителем и обрезает амплитуду тока.
Коэффициент мощности – отношение активной мощности (потребляемой источником питания безвозвратно и уходящей в тепло) к полной. То есть, коэффициент мощности – отношение полезной к полученной мощности. Чем он ближе к единице – тем лучше.
КПД. Величина КПД влияет на тепловыделение. Чем выше КПД – тем лучше, так как блок питания выделяет меньше тепла.
Диапазон настройки уровня выходного напряжения. Большинство моделей блоков питания SITOP Power позволяет регулировать величину номинального выходного напряжения. Это позволяет обеспечить электричеством оборудование с нестандартным питанием или компенсировать падение напряжения в распределенных линиях.
Возможность параллельного включения. Параллельное включение блоков питания дает возможность использования «горячего» резервирования или сложения мощностей. Серия SITOP Power поддерживает до двух параллельно включенных источников питания.
Индикация и сигнализация. В основном, используются транзисторные нормально открытые выходы для дистанционного наблюдения за работой блока питания и светодиоды состояния, расположенные непосредственно на приборе.
Основные преимущества
Блоки питания семейства SITOP Power отличают следующие особенности:
Блоки питания
1. Нестабилизированные блоки питания – выходное напряжение зависит от тока нагрузки.
Плюсы:
Минусы:
2. Стабилизированные блоки питания – выходное напряжение не зависит от тока нагрузки.
Плюсы:
Минусы:
* КПД существенно меньше, чем у импульсных блоков питания, трансформаторные БП греются, имеют большой размер и вес.
Плюсы:
Минусы:
** Ценовое преимущество импульсных блоков очевидно для достаточно мощных изделий, также благодаря высокому КПД и малым габаритам, у них лучше соотношение цена/качество
Импульсного блока питания на 5000мА вполне достаточно чтобы закрыть все ваши потребности, он подойдет как для мощных устройств, так и для устройств, требующих ток в 300мА.
Тенденции: будущее за импульсными блоками питания. По мере удешевления компонентов импульсных блоков питания, они все больше и больше теснят и маломощные трансформаторные. Пример: зарядные устройства мобильных телефонов сейчас преимущественно импульсные, хотя еще несколько лет назад на таких небольших мощностях использовались трансформаторные блоки питания.
Как работает блок питания компьютера
Содержание
Содержание
Большинство рассказов про блоки питания начинается с подчеркивания их важнейшей и чуть ли не главенствующей роли в составе компьютера. Это не так. БП — просто один из компонентов системы, без которого она не будет работать. Он обеспечивает преобразование переменного напряжения из сети в необходимые для работы ПК стабилизированные напряжения. Все блоки можно разделить на импульсные и линейные. Современные компьютерные блоки выполнены по импульсной схеме.
Линейные блоки питания
Сетевое напряжение поступает на первичную обмотку трансформатора, а со вторичной мы снимаем уже пониженное до нужных пределов переменное напряжение. Далее оно выпрямляется, следом стоит фильтр (в данном случае нарисован обычный электролитический конденсатор) и схема стабилизации. Схема стабилизации необходима, так как напряжение на вторичной обмотке напрямую зависит от входного напряжения, а оно только по ГОСТу может меняться в пределах ±10 %, а в реальности — и больше.
Основные достоинства линейных блоков питания — простая конструкция и низкий уровень помех (поэтому аудиофилы часто используют их в усилителях). Недостаток таких БП — габариты и невысокий КПД. Собрать БП мощностью 400 и более Вт по такой схеме возможно, но он будет иметь устрашающие размеры, вес и стоимость (медь нынче дорогая).
Импульсные блоки питания
Далее в тексте сократим название «импульсный источник питания» до ИИП. Такие блоки питания более сложны, но гораздо более компактны. Для примера на фото ниже показана пара трансформаторов.
Слева — отечественный сетевой с номинальной мощностью 17 Вт, справа — выпаянный из компьютерного БП мощностью 450 Вт. Кстати, отечественный еще и весит раз в 5 больше.
В ИИП сетевое напряжение сначала выпрямляется и сглаживается фильтром, а потом опять преобразуется в переменное, но уже гораздо более высокой частоты (несколько десятков килогерц). А затем оно понижается трансформатором.
Так выглядит плата вживую:
Фильтр
Фильтр в блоке питания двунаправленный: он поглощает разного рода помехи: как созданные самим БП, так и приходящие из сети. В самых бюджетных БП предприимчивые китайцы вместо дросселей распаивали перемычки (или, как их называют ремонтники, «пофигисторы»), а конденсаторы не ставили вообще. Чем это плохо: помехи будут влиять на другую аппаратуру, подключенную к данной сети, а напряжение на выходе получится с «мусором». Сейчас таких блоков уже немного. Встречается также экономия на размерах: фильтр как бы есть, но работать он будет кое-как.
Фильтр работает эффективнее, когда он находится как можно ближе к источнику помех. Поэтому часть фильтра зачастую располагают прямо на сетевой розетке.
На картинке изображен фильтр в минимальной комплектации. F1 — предохранитель, VDR1 — варистор, N1 — термистор, Х2 — Х-конденсатор, Y1 — Y-конденсаторы, L1 — синфазный дроссель. Резистор R1 служит для разряда конденсатора Х2.
Еще одна опасная для жизни пользователей экономия — когда вместо специальных Х- и Y-конденсаторов ставят обычные. Впрочем, встречается она редко. Автор видел такое всего один раз и очень давно. Экономия очень незначительна, а риск для пользователей очень велик, так как, например, Y-конденсаторы подключаются одной «ногой» на фазу, а другой — на корпус. В случае пробоя конденсатора можно получить опасное для жизни напряжение на корпусе.
Корректор коэффициента мощности
Не будем вдаваться в подробности, поскольку статьи на эту тему уже были: раз и два. Скажем только, что корректор коэффициента мощности должен быть во всех компьютерных БП, желательно активного типа (A-PFC).
Плюсы корректора: 1) Снижается нагрузка на сеть. 2) Повышенный диапазон входного напряжения (чаще всего, но не всегда). 3) Улучшение работы инвертора.
Минусы: 1) Увеличивается сложность конструкции, соответственно, снижается надежность. 2) Возможны проблемы при работе с UPS.
Преобразователь
Обычно используется мостовая или полумостовая схема. Чаще всего встречается полумост. На картинке ниже он изображен в упрощенном виде.
Как видно по схеме, транзисторы открываются поочередно с небольшой задержкой, чтобы не случилось ситуации, когда оба окажутся открыты. В таком случае получаем на первичной обмотке переменный ток высокой частоты, а на вторичной — уже пониженный до нужной величины.
В топовых блоках применяются резонансные преобразователи (LLC), которые имеют более высокий КПД, но они технически сложнее.
Выпрямление и стабилизация выходных напряжений
По способу выпрямления и стабилизации блоки можно поделить на четыре группы:
1) Выпрямление с помощью диодов Шоттки (полупроводниковый прибор, у которого при прямом включении падение напряжения будет в три-четыре раза меньше, чем у обычных кремниевых), групповая стабилизация.
Второй имеет меньший размер. Это отдельная стабилизация канала 3,3 В. Сейчас такие БП часто встречаются в основном в бюджетном сегменте. Например:
Вот, например, фото такого блока. Очень бюджетно:
2) Выпрямление с помощью диодов Шоттки, раздельная стабилизация на магнитных усилителях. Внешне их можно отличить по наличию в выходных цепях трех крупных дросселей. Данная схема в современных БП не используется: ее вытеснили более производительные решения. Пик такой схемотехники — начало 2000-х годов.
3) Выпрямление канала 12 В с помощью диодов Шоттки. Напряжения 5 В и 3,3 В получают из 12 В с помощью преобразователей DC-DC. Развитие электроники позволило производить недорогие и эффективные преобразователи такого рода. БП будет ненамного эффективнее обычных с групповой стабилизацией (так как нагрузка на низковольтные каналы небольшая), но стабильность напряжений выше.
4) Канал 12 В — синхронный выпрямитель на MOSFET (полевой транзистор с изолированным затвором), остальные напряжения получают при помощи преобразователей DC-DC.
Это наиболее эффективная и точная, но и более сложная схемотехника. В соответствии с ней делают все топовые блоки питания. Отклонения выходных напряжений у таких блоков укладываются в один-два процента при допустимых 5 %.
Дежурный источник питания
Представляет из себя маломощный ИИП с напряжением на выходе 5 В. Он работает все время, пока БП подключен к сети. Обеспечивает питание микросхем внутри блока и питание логики на материнской плате, а также подает питание на порты USB при выключенном компьютере.
Супервизор
Микросхема обеспечивает функционирование основных защит в блоке (превышения выходных напряжений, превышение выходного тока и прочее), управляет включением и выключением блока по сигналам с материнской платы.
Теперь вы представляете, как обстоит дело со схемотехникой в наши дни. А что нас ждет в будущем? В мае 2020 года компания Интел выпустила новый ATX12VO (12 V Only) Desktop Power Supply Disign Guide в котором описывает совершенно новые БП: у блока осталось только одно напряжение — 12 В. Нужные напряжения будет преобразовывать материнская плата. Дежурный источник питания с напряжения 5 В перейдет на 12 В. При этом размеры блоков АТХ остаются такими же. Это сделано для того, чтобы сохранить совместимость со старыми корпусами. Правда, пока производители не торопятся переходить на этот формфактор.
ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ БЛОКА ПИТАНИЯ
Самыми распространенными являются нестабилизированные трансформаторные блоки питания. Они имеют простую схему и потому самые надежные. Из недостатков, большой вес трансформатора. Трансформатор служит для преобразования напряжения. Если к нему добавить выпрямитель, состоящий из 4-х диодов, то на выходе получим постоянный ток. От таких простых и надежных блоков питания в том числе работают тренажеры. Также от них прекрасно работают нагревательные приборы, электромоторы и многие другие устройства, имеющие внутри себя стабилизаторы напряжения. Напряжение таких адаптеров под нагрузкой будет меньше, чем на холостом ходу, и сильно зависит от напряжения в самой розетке 220 Вольт. Если в сети большие скачки напряжения, следует обезопасится и используовать адаптеры со стабилизатором. Правильнее поставить большой стабилизатор на всю электропроводку дома. Так электроприборы приборы прослужат значительно дольше.
Нестабилизированные БП ломаются и заменяются в трех случаях: 1. Порвали провод; 2. Уронили и разбили корпус; 3. Потеряли.
В свето-, звукотехники перепады напряжения будут значительно сказываться на конечном результате, свет будет «моргать», а звук становится то громче, то тише. Поэтому в схему добавлен стабилизатор. При этом стабилизатор стоит в самом блоке питания, чтобы не создавать помех в колонках. Такое дополнение незначительно увеличивает вес и стоимость изделия. Если есть желание заменить батарейки тренажера на блок питания, то пользоваться следует только стабилизированным блоком питания. Батарейки выдают напряжение равное или меньше установленного. Ни в коем случае не использовать обычный (нестабилизированный) блок питания 6V, вместо 4-х батареек AA 1,5V. Проверив выходное напряжение на обычном адаптере 6V мультиметром вы увидите цифру 9-10В. Это не значит, что блок неисправен, или плохое качество, как и написано напряжение обычных блоков без нагрузки выше, чем под нагрузкой. Однако приборы работающие от батареек, как правило, маломощные и подобный перепад напряжения для них окажется фатальным.
Третий тип схемы блока питания – это импульсные. Принципиальным отличие является первоначальное выпрямление тока, что позволяет уменьшить трансформатор, и значительно уменьшить вес. Видели маленькие сварочные аппараты, которые справляются с теми же токами, что и их тяжелые собратья. Такие сварочные аппараты называются инверторы. В импульсных блоках питания применена подобная схема. Схема более сложная, состоящая из наукоемких чипов. Импульсные блоки все стабилизированные.
Больше электронных компонентов, но значительно меньше железа и меди, отсюда малый вес и меньшие габариты. Поэтому в ноутбуках, компьютерах, телевизорах уже давно применяют именно импульсные блоки питания. Из-за более наукоемкого производства они должны быть дороже в производстве. Но производитель тратит меньше дорогой меди, а продавец благодаря меньшему весу, экономит на грузоперевозке и пошлинах. В результате стоимость блоков питания сравнительно одинаковая. Но если делать действительно качественный импульсный адаптер, то он тоже будет достатончых больших размеров, зато прослужит всю вашу жизнь. Минимизация приводит к частому перегреву и выходу из строя микросхем, что позволяет нас покупать новые. Устаревание изделий закладывается на стадии проектрирования. В результате огромное колличество зарядок для телефона засоряет природу, тогда как технологии позволяют сделать такую вешь универсальной и неубиваемой.
На ютубе есть канал Паяльник.TV на нем проффессионально рассказывают о разных электронных приборах. Кто интересуется темой микроэлектроники загляните там много годных вещей.
В частности они очень грамотно и подробно расписывают схему и принцип работы импульсного блока питания.
Стабилизированный адаптер из нестабилизированного
В магазинах, киосках подземных переходов, на радиорынках можно купить так называемые адаптеры, оформленные в виде сетевой вилки. Большие пульсации выходного напряжения и его зависимость от тока нагрузки затрудняют питание от них какой-либо радиоэлектронной аппаратуры. Как стабилизировать выходное напряжение таких адаптеров и рассказывается в данной статье.
Для фиксирования «круглых» значений выходного напряжения проще всего использовать микросхемы КР142ЕН5 и КР142ЕН8 с соответствующими буквенными индексами [1], устанавливая их на теплоотводе в корпус адаптера и дополняя выходным конденсатором емкостью не менее 10 мкФ. Если же необходимо «нестандартное» напряжение, следует применить микросхему КР142ЕН12А [2].
Микросхема DA1 установлена на ребристый теплоотвод размерами 10x18x38 мм от промышленного устройства. Для хорошего охлаждения в нижней и верхней стенках корпуса адаптера (ориентация при включении его в настенную розетку) просверлены по шесть отверстий диаметром 6 мм.
Если ограничение выходного тока не требуется, резистор R1 и конденсатор C3 можно исключить. В таком варианте максимальный выходной ток составлял 0.5А при напряжении пульсаций около 1 мВ. Подобрав сопротивления резисторов R3 и R4, можно можно собрать стабилизатор на любое выходное напряжение в пределах, допустимых трансформатором адаптера.
Для сверления крепежных отверстий и отверстий для установки переключателей и светодиода удобно применить печатную плату от используемого адаптера как трафарет. Чтобы выпаять переключатель из платы и при этом не повредить ее, необходимо, прогревая одновременно несколько соседних контактов паяльником, изгибать плату. Переходя постепенно к другим контактам, можно выпаять переключатель целиком.
Микросхема DA1 установлена на медную пластину размерами 52x38x1 мм, выполняющую роль теплоотвода. Пластина имеет отбортовку для крепления на плате, а по ее периметру просверлены отверстия диаметром 4 мм для обеспечения вентиляции. Для тех же целей в верхней и нижней стенках корпуса просверлено по восемь отверстий диаметром 6 мм.
.jpg)
