Линейные и импульсные источники питания – гайд по выбору 2022 от Суперайс

---

Лабораторный блок питания – это вторичный источник электроэнергии, дополненный блоками регулировки выходного напряжения и тока, контроля работы и индикации режимов, а также схемами защиты.

Лабораторный блок питания (ЛБП) – очень востребованное профессионалами оборудование. Он активно используется инженерами, занимающимися разработкой и ремонтом различных электронных устройств. В настоящее время есть много типов и моделей лабораторных источников питания (ИП). Их настолько много, что новичку непросто сориентироваться в таком многообразии оборудования.

Чтобы выбрать оптимальный источник питания для определенных целей, рекомендуется вначале разобраться в особенностях различных типов ЛБП, а уже после принимать решение об их покупке.

Материал обновлён 24.11.2022
Время чтения: 10 минут

В этой статье рассмотрим:

• Классификация лабораторных источников питания
  • Линейные
  • Импульсные
• Преимущества и недостатки источников
  • Преимущества импульсных источников
  • Недостатки импульсных блоков
  • Преимущества линейных БП
  • Недостатки линейных источников
• Мощные ЛБП
• Как выбрать ЛБП

Классификация лабораторных источников

Лабораторные ИП могут классифицироваться по различным параметрам. Но наиболее популярным видом классификации является деление по типу конструкции. В соответствии с ним все ЛБП делятся на импульсные и линейные. Последние, также называют трансформаторными. Чем отличаются импульсные источники питания от линейных разберём далее.

Лабораторные БП: трансформаторный YIHUA-305D (слева) и импульсный MAISHENG MS305D (справа)

Линейный блок питания

Традиционным считается линейный блок питания (БП). В основе его конструкции лежит понижающий трансформатор. После трансформатора в схему включен диодный мост (выпрямитель), который преобразует переменное напряжение в постоянное. Далее располагается основная схема, отвечающая за регулировку выходного напряжения, а также его стабилизацию. Как правило, за функцию стабилизации отвечает высокоемкостный конденсатор.

Большинство блоков имеют более сложную принципиальную схему, включающую блоки регулировки и стабилизации напряжения, а также тока, блоки защиты и индикации.

Простейший трансформаторный блок питания возможно сделать своими руками, при этом, основным и самым дорогим компонентом в нем будет понижающий трансформатор.

Упрощенная схема линейного блока питания

Среди мастеров, осуществляющих ремонт и проектирование электроники и радиотехнических устройств, самые популярные ЛБП – модели с выходными характеристиками: напряжения в диапазоне от 0 до 30 В и тока в диапазоне до 5 А.

В качестве примера, можно привести источник постоянного тока YIHUA-305D. Этот БП представляет собой высокоточный агрегат, при помощи которого можно тонко настраивать параметры выходного тока и напряжения в установленном диапазоне. Цифровой индикатор у устройства работает в двойном режиме, одновременно отображая текущие показатели напряжения и выходного тока. Помимо этого, ЛБП имеет режим защиты от короткого замыкания (SCP), перегрузки по току (OCP), а также функцию самовосстановления после срабатывания защиты.

Импульсный блок питания

В настоящее время большинство используемых лабораторных блоков питания – это преимущественно установки импульсного типа.

Что значит импульсный блок питания?

Принцип работы достаточно прост: вначале происходит предварительное выпрямление входного напряжения, после этого оно преобразуется в импульсы с увеличенной частотой и требуемой скважностью. Далее импульсы передаются в трансформатор, где напряжение понижается до требуемой величины. После трансформатора вновь расположен диодный выпрямитель, после которого выполняется стабилизация напряжения в импульсном блоке питания (ИБП).

Для генерации импульсов могут применяться как однотактные, так и двухтактные схемы. Оба типа схем строятся на базе биполярных или полевых транзисторов. В современных схемах наибольшую популярность получили IGBT и MOSFET транзисторы.

Схема простого ИБП

Двухтактные схемы чаще всего строятся на базе широтно-импульсного контроллера (ШИМ-контроллера). Эти небольшие микросхемы содержат схему, позволяющую генерировать сигналы требуемой ширины и скважности для управления силовыми ключами.

Импульсная схема преобразователя напряжения на базе ШИМ-контроллера TL494

В ИБП используются небольшие трансформаторы. Их более чем достаточно, поскольку увеличение частоты напряжения повышает эффективность работы трансформатора, а, следовательно, конструкцию можно значительно уменьшить. Часто сердечник трансформатора ИБП изготавливается из ферромагнитных материалов, что дополнительно облегчает общую конструкцию.

Трансформаторы от БП: линейного (слева) и импульсного (справа)

Что же обеспечивает стабилизацию напряжения в импульсном блоке питания? Эту функцию берёт на себя отрицательная обратная связь, которая поддерживает выходное напряжение на одном уровне. При этом величина нагрузки и колебания входного напряжения не оказывают никакого влияния на выходные параметры.

Вполне возможно сделать импульсный ЛБП своими руками. При этом основными компонентами будут: линейный регулятор, ШИМ-контроллер, а также импульсный трансформатор.

MAISHENG MS305D– один из популярных ЛБП на рынке. Этот ИБП – эталон компактности и удобства. Он пользуется высоким спросом как среди любителей, так и среди профессионалов.

Данный источник импульсного типа подходит для питания самых разных электронных схем и устройств, обеспечивая им стабильную работу. Конструкцией устройства предусмотрена возможность настраивать параметры переменного тока в диапазоне от 0 до 5 А, а также напряжения от 0 до 30 В. В блоке присутствует защита от короткого замыкания, перегрева и перегрузки по току. Модель оснащена системой плавной регулировки, которая позволяет точно подобрать напряжение и ток на выходе. Также устройство оснащено удобным цифровым дисплеем, на котором в реальном времени отображаются параметры напряжения и переменного тока.

Преимущества и недостатки

Что же выбрать? Линейный или импульсный блок питания?

Импульсные БП используются практически повсеместно. Они активно вытесняют с рынка менее удобные трансформаторные модели. Тем не менее только в работе можно оценить сильные и слабые стороны импульсных и трансформаторных источников.

Каждый из рассматриваемых типов блоков имеет свои преимущества, а также недостатки.

Так, к примеру, КПД импульсного блока питания наиболее высокий, а мощность, по сравнению с трансформаторными моделями, значительно больше. В свою очередь, линейные источники питания отличаются простотой конструкции, надежностью работы и не требуют дорогого ремонта. Отметим преимущества и недостатки, консолидируя характеристики ЛБП.

Преимущества импульсных источников

К достоинствам импульсных агрегатов нужно отнести:

• высокий коэффициент стабилизации;
• высокий коэффициент полезного действия;
• более широкий диапазон входных напряжений;
• более высокую мощность, по сравнению с линейными устройствами;
• отсутствие чувствительности к качеству электропитания и частоте входного напряжения;
• небольшие габариты дающие хорошую транспортабельность;
• доступная цена.

Недостатки импульсных блоков

К явным недостаткам импульсных ИП можно отнести:

• импульсная система питания дает высокочастотные помехи;
• сложность схем, что негативно сказывается на надежности;
• ремонт далеко не всегда удается произвести своими руками.

Преимущества линейных БП

Трансформаторные ЛБП также имеют ряд плюсов, среди которых:

• простота и надежность конструкции;
• высокая ремонтопригодность, а также невысокая стоимость запчастей;
• отсутствие радиопомех;

Недостатки линейных источников

Если определять недостатки линейных вторичных источников питания, то среди них можно выделить:

• большой вес и габариты, что часто делает транспортировку очень неудобной;
• обратная зависимость между КПД и стабильностью выходного напряжения;
• высокая металлоемкость конструкции.

Мощные импульсные ЛБП

ИП импульсного типа можно конструировать с большой выходной мощностью, в десятки сотен ватт, и при этом они будут очень лёгкими и компактными. Яркими представителями этих устройств, в качестве примера, можно привести ЛБП компании MAISHENG.

Модель	Мощность
MAISHENG MP3060D (30В, 60А)	1800 Вт
MAISHENG MP6030D (60В, 30А)	1800 Вт
MAISHENG MP5050D (50В, 50А)	2500 Вт
MAISHENG MP5060D (50В, 60А)	3000 Вт
MAISHENG MP40010D (400 В, 10 А)	4000 Вт
MAISHENG MP15030D (150 В, 30 А)	4500 Вт
MAISHENG MP30150D (30 В, 150 А)	4500 Вт
MAISHENG MP6080D (60 В, 80 А)	4800 Вт
MAISHENG MP50100D (50 В, 100 А)	5000 Вт

Лабораторный блок питания: импульсный или линейный?

Современные источники питания представлены огромным ассортиментом. Значительным спросом пользуются как импульсные, так и трансформаторные БП. И то, какие цели вы преследуете, приобретая лабораторный БП, влияет на тип выбираемого вами оборудования.

Если вам необходимо всегда иметь под рукой надежное устройство с отсутствием радиопомех, которое редко ломается, а также легко поддается ремонту, тогда обратите внимание на трансформаторные модели. Если же для вас важна мощность и высокий коэффициент полезного действия, в таком случае стоит подробнее изучить модельный ряд импульсных устройств.

Если же у вас остались вопросы по выбору ЛБП, то мы рекомендуем ознакомиться с дополнительными статьями о выборе источников питания:

• Лабораторные источники питания: особенности выбора;
• Выбираем программируемый источник питания постоянного тока.

Также наши консультанты помогут вам с подбором подходящего устройства.

Линейные блоки питания: простота конструкции и ремонта

---

Линейные блоки питания — это источник питания, не содержащий никаких коммутационных или цифровых компонентов. Он обладает некоторыми замечательными характеристиками по сравнению с импульсными блоками питания, такими как очень низкий уровень шума и пульсаций, невосприимчивость к помехам от сети, простота, надежность, простота конструкции, расчета и ремонта.

БП также могут генерировать как очень высокие напряжения (тысячи вольт), так и очень низкие напряжения (менее 1V). Линейные блоки питания могут легко генерировать несколько выходных напряжений. С другой стороны, они большие по размеру, тяжелые и требуют большего теплоотвода. Линейные источники питания существуют уже несколько десятилетий, были созданы задолго до появления полупроводников.

Содержание

1. Что такое линейные блоки питания
2. Некоторые примеры:
3. Компоненты линейного блока питания
4. Линейные блоки питания — проектирование
5. Примеры небольших линейных блоков питания своими руками:

Линейные блоки питания могут быть фиксированными, например, как источник питания 5V, который может потребоваться для логической схемы, или несколько фиксированных блоков питания, необходимых для ПК (+5, +12 или -12V). На настольном лабораторном блоке питания вы можете использовать источник переменного тока. В дополнение к одиночным источникам вы также можете получить двойные схемы питания, например, для схем операционного усилителя ±15V, и даже БП двойного контроля, которые синхронизированы по напряжению друг с другом.

Некоторые примеры:

• +5V логические и микропроцессорные схемы
• +12V LED освещение, общая электроника
• Схемы операционного усилителя ±15V
• Стендовое испытательное питание 0-30V
• +14,5V зарядное устройство

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

Компоненты линейного блока питания

• Секция ввода сети содержит компоненты подключения к электросети, обычно выключатель, предохранитель и контрольную лампочку. Используйте хорошее заземление и изолируйте все силовые части внутренней проводки изоляционным материалом для защиты от случайного контакта.
• Трансформатор выбирают в соответствии с требуемым выходным напряжением и эффективно изолирует все другие цепи от сетевых контактов. Трансформатор может иметь несколько отводов первичной обмотки, чтобы обеспечить различное входное напряжение сети, и несколько отводов вторичной обмотки, соответствующих требуемому выходному напряжению. Кроме того, между отводами первичной и вторичной обмоток имеется экран из медной фольги, который способствует уменьшению емкостной связи с высокочастотным сетевым шумом.
• Выпрямитель может быть таким же простым, как одинарный диод (не подходит), двухполупериодный мост с центральным ответвлением или двухполупериодный мост. Следует использовать выпрямительные диоды более мощные, чем рассчитывалось. По моему опыту ремонта многих неисправных блоков питания, проблемы обычно возникают из-за выхода из строя диода, которые горят либо из-за слишком большого тока, либо из-за скачков напряжения в сети.
• Учитывая это, выберите диод с высоким PIV (пиковое обратное напряжение). При установке диодов держите выводы на длинной стороне, так как именно здесь рассеивается большая часть их тепла. В высоковольтных источниках питания часто встречаются небольшие конденсаторы, подключенные параллельно диодам, чтобы помочь им быстрее восстанавливаться.
• Конденсатор является постоянно работающим компонентом и должен заряжаться до пика вторичного напряжения (Vsec*1,414), а затем быстро отдавать накопленную энергию в нагрузку. Конденсаторы из алюминиевой фольги представляют собой рулон бумаги из алюминия, заполненный маслом. Однако, они имеют свойство со временем высыхать и, как следствие, терять свою емкость. Если возможно, разместите их подальше от источников тепла при компоновке.
• Танталовые конденсаторы имеют гораздо более низкое последовательное сопротивление (эквивалентное последовательное сопротивление), поэтому лучше справляются с пульсациями. Вы можете использовать их в цепи регулятора. При разводке схемы, старайтесь свести все заземления в одну точку. Регулятор также должен иметь небольшой выходной ток, когда он не находится под нагрузкой; 1кОм будет достаточно.
• На рисунке ниже зеленая кривая представляет собой то, как форма волны выглядела бы без конденсатора, а красная форма волны — это «заряд» конденсатора на каждом полупериоде, а затем разряд из-за тока нагрузки. Результирующая форма волны — это пульсирующее напряжение.
• Регулятор бывает разных типов: последовательный, шунтирующий, простой и сложный. Будет отдельная статья о регуляторах, но в этом руководстве мы сосредоточимся на разработке двух простых регуляторов на основе интегральной микросхеме с фиксированным регулятором 7812 и регулируемым регулятором LM317.

Линейные блоки питания — проектирование

Разработка линейного блока питания похожа на чтение на иврите: вы начинаете с конца и продвигаетесь к началу. Ключевая спецификация — это напряжение на выходе, которое мы хотим иметь, и какую величину тока мы можем получить от него без падения напряжения. В этом проекте давайте нацелимся на 12V при токе 1 А и 3V на регуляторе. У любого регулятора должна быть определенная необходимая разница между входным и выходным напряжениями для правильной работы. Если не указано иное, предположите, что это минимум 3V. Некоторые из используемых здесь регуляторов рассчитаны только на 2V.

Если на выходе нам нужно 12V, то на конденсаторе нужно 12 + 3 = 15V. Теперь, когда этот конденсатор заряжается и разряжается, в нем должна присутствовать переменная составляющая, то есть пульсация напряжения. Чем больше ток, потребляемый конденсатором, тем хуже пульсации, и это тоже нужно учитывать. При выборе значения 10%, т.е. 1,2V (размах), ограничение рассчитывается следующим образом:

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

Это возвращает нас к диодам. Поскольку диоды подают не только ток нагрузки, но и ток заряда конденсатора, они будут использовать больший ток.

В двухполупериодном мосту ток составляет 1,8*I нагрузки. На центральном отводе, это 1,2*I нагрузки. Учитывая это, мы должны использовать диоды не менее 2 А.

Теперь мы переходим обратно к вторичной обмотке трансформатора и ее удельному напряжению. В любой надежной системе мы должны учитывать допуски. Если мы будем следовать только минимальным требованиям к конструкции, вход регулятора может упасть ниже уровня падения напряжения, что окажет значительное влияние на сеть. В коммерческих проектах обычно указывается ± 10%, поэтому, если у нас напряжение 230 В, это означает, что оно может упасть до 207V.

Таким образом, необходимое напряжение на вторичной обмотке будет следующим:

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

Vreg — падение напряжения регулятора, Vrect — падение напряжения на 2 диодах, которое составляет 2*0,7 для цепи центрального отвода и 4*0,7 для полного моста. Пульсации напряжения V было указано как 10% от 12V или 1,2V, поэтому:

Это означает, что готового трансформатора на 15V должно хватить. Бывает, что вы не можете найти подходящий трансформатор, но есть в наличии другой, с более высоким напряжением. Обратной стороной этого является то, что на стабилизаторе будет более высокое напряжение и, как следствие, большая мощность, рассеиваемая его радиатором.

Последнее, что нужно сейчас указать, — это габаритная мощность трансформатора в ВА. Это простая и распространенная ошибка — думать, что ВА будет Vsec*Iload, т.е. 15*1 = 15VA. Но мы не должны забывать, что трансформатор также заряжает конденсатор, поэтому в зависимости от конфигурации, нагрузка 1,2 или 1,8*I означает большую разницу, то есть 1,8*1*15 = 27 ВА.

На этом конструирование завершается. А как насчет предохранителя? Это целая наука, но для этого простого блока питания я бы оценил его в 2 раза больше первичного входного тока. Таким образом, в данном случае ВА равно 27, а напряжение сети составляет 230V, а I=2*27/230 = 250 мА.

Теперь мы можем добавить в регулятор последние несколько компонентов:

Для C1 мы рассчитали его на 4200 мкФ. Но поскольку регулятор удалит большую часть пульсации, она может быть меньше или вдвое меньше той, что составляет 2200 мкФ. Назначение C2 и C3 — обеспечение стабильности и помехоустойчивости регулятора. Конденсаторы C2 10 мкФ и C1 1 мкФ. В идеале эти емкости должны быть танталового типа, но если вы вынуждены использовать алюминий, вам следует удвоить значение.

Шунтирующим диодом D3 часто пренебрегают, но он важен. Если произойдет короткое замыкание на входе регулятора, любая накопленная емкость в нагрузке Vcc, включая C3, разрядится на заднюю часть регулятора и, возможно, спалит его. Но D3 спасает от такой ситуации.

Теперь давайте заменим фиксированный регулятор на регулируемый на основе популярного и простого в использовании LM317 и добавим дополнительную отрицательную версию LM337, чтобы сформировать двойной регулируемый блок питания. Обратите внимание, что мы использовали трансформатор с центральным отводом, а также полный мостовой выпрямитель. Следующие примечания в равной степени относятся к отрицательной половине блока питания. Единственное, что осталось рассчитать — это R6 и R7.

Если вы сделаете R6 = 220, тогда для любого напряжения между Vmax и Vmin, R7 = (176*Vout) — 220. Итак, если вы хотите 9V, R7 будет 176*9 — 220 = 1k4. Вы также можете использовать двойной подстроечный резистор от 5 до 10kОм (линейный) для одновременной регулировки обеих сторон. Трансформатор с вторичной обмоткой 25/0/25 подойдет. C8 и C9 обеспечивают помехоустойчивость и могут составлять 10 мкФ. C10 и C11 — 1 мкФ, а C4 и C7 — 1000 мкФ. Минимальное выходное напряжение составляет около 1,25V.

Примеры небольших линейных блоков питания своими руками:

Разница между линейными и импульсными источниками питания | tech

Выпуск: 11 марта 2022 г., Обновление: 19 сентября 2022 г., I.R.

Как линейные, так и импульсные источники питания обеспечивают стабильный постоянный ток (также сокращенно «постоянный ток» или «DC»).
DC используется в цепях большинства электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры, кондиционеры и заводские роботы. Поскольку для каждого типа устройства и внутренней схемы такого электронного оборудования требуются разные напряжения, необходим источник постоянного тока, подходящий для каждого напряжения.
Впервые был изобретен линейный источник питания. Линейные источники питания также известны как последовательные источники питания. В линейном источнике питания трансформатор, состоящий из железного сердечника и катушки, используется для уменьшения напряжения до входящего переменного тока (AC). Затем напряжение выпрямляется диодом в цепи выпрямителя и сглаживается конденсатором в цепи сглаживания для обеспечения стабильного напряжения.
Выходное напряжение схемы выпрямителя представляет собой серию положительных пиков синусоиды, что не является подходящим стабильным током. Поэтому напряжение выравнивается с помощью сглаживающей цепи, состоящей из конденсатора, и стабилизирующей цепи (схемы управления). Существует два типа цепей управления: шунты и последовательные цепи. Оба метода контролируют и контролируют выходное напряжение постоянного тока, чтобы поддерживать постоянное значение. Разница между входным и выходным напряжениями приводит к выделению тепла; поэтому требуется большой радиатор.
Для линейного источника питания требуется специальный трансформатор переменного тока в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и мощности. Таким образом, каждое устройство имело фиксированную мощность и требовало источника питания с отдельным трансформатором для каждого приложения.

Импульсные источники питания, напротив, перед регулировкой напряжения имеют функцию выпрямления и сглаживания. Прерыватель используется для преобразования поступающего напряжения в последовательность высокочастотных импульсов. При включении и выключении выключателя с высокой скоростью выпрямленный ток трактуется как псевдопеременный ток (AC) с пульсирующей волной, а напряжение регулируется с помощью высокочастотного трансформатора.

Типичная разница между линейным блоком питания и импульсным блоком питания заключается в уровне шума и размере блока питания. Как упоминалось выше, импульсный источник питания многократно включает и выключает переключатель с высокой скоростью. Это вызывает шум из-за переключения. Линейные источники питания производят меньше шума, чем импульсные источники питания.
Как упоминалось выше, импульсный источник питания многократно включает и выключает коммутатор с высокой скоростью. Это вызывает шум из-за переключения. Что касается шума, линейные блоки питания производят меньше шума, чем импульсные блоки питания.
Если сравнить линейный источник питания и импульсный источник питания с одинаковым выходным сигналом, шум линейного источника питания (R4G18-2) составляет 0,5 мВ (среднеквадратичное значение) и 1 мА (среднеквадратичное значение), как указано в технических характеристиках. Однако импульсный источник питания (R4K18-2) составляет около 5 мВ (среднеквадратичное значение) и 5 ​​мА (среднеквадратичное значение).
Другими словами, шум напряжения импульсного источника питания в десять раз больше, а шум тока в пять раз больше, чем у линейного источника питания.
Следующим шагом было определение размера блока питания. Линейный источник питания был небольшим; однако импульсный источник питания был меньше. Это связано с размером трансформатора. Если напряжение изменяется на ту же величину, трансформатор будет меньше на более высоких частотах.
В линейном источнике питания входная частота от розетки или другого источника подается непосредственно на трансформатор, тогда как в импульсном источнике питания ток после выпрямления направляется на трансформатор в виде высокочастотного импульса. Поэтому трансформатор маленький.
Например, блок питания с выходным напряжением постоянного тока 18 В, линейный блок питания (R4G18-2) имеет размеры 124 × 84 × 325 мм (В × Ш × Г) и весит примерно 3 кг. Для сравнения, импульсный блок питания (R4K18-2) имеет размеры 124 × 35 × 128 мм (В × Ш × Г) и весит примерно 500 г.
Они оба одинаковой высоты, но линейный блок питания в 2,4 раза шире, в 2,5 раза глубже и весит в шесть раз больше, чем импульсный блок питания. Это связано с тем, что в трансформаторах используется железный сердечник, а размер трансформатора влияет на его вес.
Импульсные источники питания стали широко использоваться примерно в 1990 году, намного позже линейных источников питания. Старые адаптеры переменного тока очень большие и тяжелые, потому что в них используются линейные источники питания.
В последние годы источники питания на основе нитрида галлия (GaN) с низкими потерями энергии получили широкое распространение. 9Источники питания 0009 GaN представляют собой полупроводники из нитрида галлия, которые аналогичны обычным полупроводникам на основе кремния. Транзисторы, использующие GaN, имеют меньшие потери мощности, чем обычные транзисторы.
Развитие этих новых технологий привело к созданию более компактных и мощных импульсных источников питания.

Существуют и другие различия между линейными и импульсными источниками питания, помимо шума и амплитуды, которые объясняются ниже.

● Импульсные источники питания имеют меньшие потери при преобразовании энергии.

Первоначально НАСА разработало импульсные источники питания для космических приложений. Поэтому они были разработаны для обеспечения высокой энергоэффективности. Импульсные источники питания более эффективны, поскольку линейные источники питания теряют больше энергии в виде тепла.

● Линейный источник питания быстрее реагирует на колебания нагрузки

Выход импульсного источника питания управлялся схемой управления. Напротив, линейные источники питания управляются реакцией схемы регулятора. Поэтому линейный источник питания быстрее реагирует на колебания нагрузки.

● Если выходная мощность мала, линейный блок питания может быть изготовлен с меньшими затратами, а если она велика, импульсный источник питания становится более дешевым вариантом.

Линейные источники питания дешевле из-за их более простой конструкции. Однако, как было сказано выше, линейные блоки питания имеют меньший КПД и выделяют больше тепла, чем импульсные блоки питания; поэтому при увеличении потребляемой мощности необходимо принимать меры по мощности, потребляемой самим линейным источником питания, и выделяемому им теплу.
Таким образом, по мере увеличения энергопотребления общая стоимость импульсного источника питания становится меньше, чем стоимость линейного источника питания. В качестве приблизительного ориентира линейные блоки питания можно эксплуатировать с меньшими затратами, если мощность ниже 400 Вт.

Различия между линейными и импульсными источниками питания приведены ниже.

	Линейный источник питания	Импульсный блок питания
Шум (электрический)	Маленький	Большой
Цепь (электрическая)	Простой	Комплекс
Блок питания типоразмера	Большой и тяжелый	Маленький и легкий
Потери при преобразовании (выделение тепла)	Большой	Маленький
Ответ	Быстро	Чуть медленнее
Низкая стоимость	Преимущество в маломощном блоке питания	Мощный (высокой мощности) блок питания

Связанные технические статьи

• Способ генерирования постоянного тока (DC)
• Что такое блок питания постоянного тока? (Базовые знания)
• Что следует учитывать при выборе источника питания постоянного тока
• В чем разница между источником питания постоянного напряжения и источником питания постоянного тока? Давайте разберемся с основным принципом
• Как правильно и безопасно использовать источник питания постоянного тока и дистанционное зондирование

Рекомендуемые продукты

Компания Matsusada Precision предлагает как источники питания постоянного тока с линейным регулятором, так и источники питания постоянного тока импульсного типа в зависимости от области применения.

Сборка линейного модуля питания — Блог — Оборудование с открытым исходным кодом

Примечание. Проект является экспериментальным. Проект маломощный и низковольтный, и требует источника низкого напряжения, который может быть получен от сетевого трансформатора.

Однако существуют значительные риски при строительстве зданий с питанием от сети. По этой причине рекомендуется использовать внешний закрытый трансформатор переменного тока в сеть низкого напряжения, если вы не являетесь квалифицированным инженером.

 

При работе с аналоговыми схемами может помочь наличие линейного источника питания. Я использую источник питания Thandar дома, но, к сожалению, у него всего одна шина питания.

 

Много лет назад я построил дешевый двухрельсовый источник питания; в нем использовалась пара комплектов линейного питания из местного магазина электроники, и он был собран вместе с сетевым трансформатором и парой индикаторных панелей вольтметра. Я до сих пор использую его, но я хотел создавать модули типа «строительный блок» для экспериментов с операционными усилителями, аудиопроектов Hi-Fi, таких как усилители для наушников, работы со сверхчувствительными устройствами и сигналами от датчиков и чувствительных радиоприемников, а также для интеграция во все виды других проектов, где шум в противном случае вызвал бы проблемы.

 

Таким образом, целью этого проекта было создание достаточно универсального, малошумного, компактного линейного источника питания, который можно было бы встраивать в более крупные проекты или использовать автономно. Он предназначен для подачи до 250 мА при напряжении, выбираемом во время разработки, а выходная мощность может достигать 3,75 Вт для каждой из двух шин, поэтому мощности достаточно для реализации множества интересных проектов.

 

Окончательная печатная плата фактически содержит два дизайна; двухрельсовое питание, а также отдельное однорельсовое питание. При желании две секции можно разрезать, если в проекте не нужны все три направляющие. Несколько досок могут быть использованы для дополнительных рельсов.

 

На этой фотографии показана часть платы с двумя направляющими в готовом виде (часть платы с одной направляющей, по сути, представляет собой просто дубликат половины части с двумя направляющими и не полностью припаяна на фотографии ниже). Наличие трех шин может быть полезно для комбинированных аналогово-цифровых проектов, где, скажем, требуется питание +5 В для микроконтроллера, а также +/-15 В для аналоговой части. Отдельный источник питания с одной шиной изолирован, чтобы исключить влияние микроконтроллера на аналоговую схему.

 

Регуляторы напряжения настраиваются во время проектирования путем изменения значений компонентов, поэтому печатная плата может быть полезна для различных проектов путем изменения значений конденсаторов и резисторов и выбора подходящего трансформатора.

 

Как уже упоминалось, типичным вариантом использования может быть +5В и +/-15В или +/-10В. Я решил сконструировать двойную шину так, чтобы она была +/- 14 В (несколько произвольное значение, мне просто нужно было что-то выше +/- 12 В для некоторых экспериментов).0007

 

Подводя итог, вот технические характеристики конструкции, но, как уже упоминалось, эти значения могут быть изменены путем изменения значений компонентов:

Вход: 110 В или 220 В перем.

Дополнительный выход: +5 В 200 мА

 

Здесь показан выход сетевого трансформатора:

 

Сплющенные верх и низ — это нормально; питание от сети не всегда представляет собой идеальную синусоиду, и трансформатор также может вносить некоторые гармоники.

 

Выходной сигнал сетевого трансформатора выпрямляется, а затем фильтруется любой шум переключения диодов, а выпрямленный выходной сигнал также фильтруется с помощью больших электролитических конденсаторов, чтобы оставить форму волны постоянного тока. Любой высокочастотный шум снижается с помощью ферритовых бусинок, которые обладают высокой устойчивостью к такому шуму.

Положительный нерегулируемый выход схемы выше идет на положительный линейный регулятор. Эта схема основана на интегральной схеме LT3065. Даташит следовал. Напряжение устанавливается с помощью пары резисторов, но если вы хотите внести изменения, обратитесь к техническому описанию, потому что значения некоторых других деталей (например, конденсатора C10 на диаграмме ниже) также необходимо отрегулировать при изменении желаемого напряжения.

 

Обратите внимание, что выходное напряжение с указанными значениями на самом деле составляет 14 В, а не 15 В. Выходной ток установлен на максимальное значение 250 мА.

Отрицательный нерегулируемый выход мостового выпрямителя подается на схему на основе LT3090. Опять внимательно следили за таблицей данных. Выход составляет -14 В (макс. 250 мА) с указанными значениями.

 

Часть печатной платы, содержащая источник питания с одной шиной, имеет ту же конструкцию, что и для положительной шины. Однако значения изменены, потому что я хотел установить этот выход на 5 В. Ограничение тока для выхода 5 В было установлено на 200 мА с помощью резистора R1.

Визуализация здесь показывает, как выглядит печатная плата для конструкции с двумя направляющими. Выход трансформатора подключается с левой стороны.

 

Круговое расположение изначально предназначалось для того, чтобы можно было привинтить непосредственно к центру тороидального трансформатора блок питания очень малого размера, но ближе к концу компоновки печатной платы я решил просто установить его рядом с трансформатором с отверстиями под винты. вместо этого на углах печатной платы. Верхняя половина этой конструкции реализует отрицательную шину питания, а нижняя половина реализует положительную шину питания.

Конструкция печатной платы с одной направляющей практически идентична нижней половине конструкции печатной платы с двумя направляющими.

 

Файлы САПР прикреплены к сообщению в блоге, их можно отправить любому производителю печатных плат. Как только платы прибудут, первая задача — припаять интегральные схемы линейного регулятора. У них есть открытая подушечка на нижней стороне; Здесь показана одна процедура пайки нижних контактных площадок с помощью обычного паяльника.

 

После того, как они были припаяны, продолжайте припаивать самые маленькие детали и заканчивайте самыми большими, то есть электролитическими конденсаторами и разъемами.

 

Разъемы Molex Ultra-Fit использовались для вторичных проводов трансформатора. Использовался недорогой обжимной инструмент PA-09.

 

При вставке обжатых концов в пластиковую оболочку ориентируйте обжим так, чтобы открытая сторона обжима была обращена вверх, если сторона зажима пластиковой оболочки также обращена вверх. На фотографии ниже показано правильное расположение металлических зажимов в центре фотографии открытой стороной вверх, чтобы соответствовать ориентации пластиковой оболочки на правой стороне фотографии, клипса которой направлена ​​вверх.

 

Основная часть тестирования будет сохранена для части 2, а пока трансформатор был включен, и выходное напряжение сдвоенных шин первоначально наблюдалось без нагрузки. Шум не удалось измерить с помощью осциллографа, для этого будут использоваться другие методы.

 

Напряжение также было измерено с помощью мультиметра, и выход прототипа составил +14,06 В и -13,99 В. Нагрузочные и динамические испытания будут проведены в части 2.

 

Чтобы полностью изолировать третью шину, можно использовать другой трансформатор. Однако практичнее использовать тот же трансформатор и добавить еще одну обмотку.

 

Примечание. Информация в этом разделе относится конкретно к конкретному трансформатору 15 ВА, 2×12 В15 ВА, 2×12 В, трансформатору Farnell и применима только в том случае, если двойные шины настроены на +/-15 В или ниже, при токе до 250 мА на каждой шине. и если третья шина настроена на +5 В до 200 мА.

Информация не применима к другим моделям трансформаторов, даже если их номинальные характеристики идентичны. Это также относится ко всем другим материалам (таким как провода и ленты), упомянутым в этом разделе. Должны использоваться только указанные номера деталей, и они должны поступать из отслеживаемого источника. В противном случае существует очень высокий риск повреждения, поражения электрическим током или возгорания.

Кроме того, используйте качественную электропроводку, а не плохую электропроводку, как это часто бывает.

 

Действия чрезвычайно просты, не так много ошибок, если вы используете правильные, идентичные материалы и следуете процедурам. Фактическая проводка сети и окончательная сборка не будут описаны в этом сообщении блога, это будет во второй части. В этом сообщении блога будет описано только, как получить дополнительную шину питания с помощью трансформатора.

Есть четыре основных шага.

 

Шаг 1. Намотка эмалированного провода

Возьмите эмалированный медный провод длиной 7 м, рассчитанный на 180 градусов Цельсия, номиналом 24 или 25 AWG, и намотайте 82 витка вокруг трансформатора. Для этого проще начать с середины, на 3,5 метра вглубь провода, и с каждых 3,5 метров длины намотать по 41 витку. Один виток — это, по сути, один проход через центр трансформатора. Когда вы закончите, это должно выглядеть как на фото ниже:

 

Шаг 2. Присоединение проводов из ПВХ

Используйте небольшой кусок каптоновой ленты (если вы не использовали ее раньше, это очень термостойкая клейкая лента, которую можно использовать в качестве изолирующего слоя) чтобы удерживать первую и последнюю обмотки на месте, а затем прикрепить к концам провода с ПВХ изоляцией. Этот процесс будет включать в себя соскабливание эмали (используйте небольшой кусочек наждачной бумаги или край лезвия). На фото показан синий провод в ПВХ-изоляции, припаянный к эмалированному медному проводу. Изолированный провод должен быть 22AWG, 105 градусов C.

 

Шаг 3. Закрепление проводов

Отогните назад эмалированный провод и наклейте немного ленты на синий провод, а затем согните синий провод в форме буквы «U» и закрепите его каптоновой лентой, чтобы было какое-то облегчение напряжения. Каптоновая лента накладывается поперек провода, но еще один кусок проклеивается через трансформатор с обеих сторон синего провода, чтобы он надежно удерживался на месте. В результате должно получиться как на фото ниже:

Вот все это с высоты птичьего полета; Вы можете видеть, что каптоновая лента обмотана через трансформатор по обеим сторонам синего провода для обоих концов обмотки:

 

Шаг 4. Изоляция обмотки

Намотайте каптоновую ленту вокруг трансформатора, чтобы покройте весь эмалированный медный провод. Это невозможно с одним длинным отрезком каптоновой ленты, поэтому вам придется делать это с более короткими (скажем, 30 см) отрезками. Начните с другой стороны синего провода так, чтобы по крайней мере 10 мм до эмалированного медного провода были покрыты, и перекройте каптоновую ленту на половину ее ширины, чтобы к тому времени лента была намотана на другой конец. синий провод (и закройте еще 10 мм), фактически везде над обмоткой 5 В имеется двойной слой каптоновой ленты из-за перекрытия. Это будет выглядеть как на фото ниже:

 

Вот и все! Теперь у вас есть трансформатор с дополнительной обмоткой, подходящей для питания шины +5В.

 

Таким образом, перечисленные модификации сделали трансформатор пригодным для обеспечения линий +/-15 В при токе до 250 мА и +5 В при 200 мА. Этой возможности должно быть достаточно для многих проектов, упомянутых во введении!

 

Здесь перечислены детали, которые необходимо использовать:

Трансформатор 15 ВА, 2×12 В15 ВА, трансформатор 2×12 В

Эмалированный провод 24 AWG24 Эмалированный провод AWG

Провод 22 AWG с ПВХ изоляцией22 AWG Провод с ПВХ изоляцией . Хотя тесты еще нужно провести, я подумал, что стоит написать эту часть 1 сейчас, на случай, если другие тоже захотят построить этот проект. Список деталей приведен ниже, и файлы платы также прикреплены к этому сообщению в блоге, готовые к отправке на любой завод по производству печатных плат (например, Elecrow, iTead).

Трансформатор, эмалированная проволока и лента:

См. Выше

Секция нерегулируемого снабжения:

C1, C2, C3, C4, C5, C6 3300UF 25V EEUFK1E332SEEUFK1E3322SLENTER FARNELLERVERIFRINMIRITRITRITRITRIORIOR 744SIRITOR.

C15 1U 100V 1210 Конденсатор Kemet C1210C105K1RACTU FARNELL 1793831

R8 100R 0805 Резистор CR0805-FX-1000ELFCR0805-FX-18FLELF 2008370

D1, D2, D3, D3, D44.2020ELRELRELMELLRELRELRELRELRELRELR120209209209209209209.8546 SOD123W 100 В 2 A FB2 FBMH4225HM102ST FARNELL 1651731 FARRITE BEAD 1210 242550286-1204172286-1207 9207-FARNELL FARNELL 16517222861207
.10797972862286-1204

. и обжимные клеммы:

J1-PLUG J2-PLUG Molex  172256-1004172256-1004 Farnell 2494339 Корпус 4-контактного разъема Ultra-Fit

ОБЖИМНЫЕ ГНЕЗДА (необходимо 8 шт.) Molex 172253-30AW19 UltraFit 3 6-9430007

 

Dual Rail Section Positive Output:

C7 10uF 25V Panasonic  EEEHD1E100AREEEHD1E100AR Farnell 1714735 case’C SMD Aluminium Electrolytic capacitor

C8 10n   0603 Capacitor Kemet C0603C103K1RACTU Farnell 1865545  

C9 22n   0603 Capacitor Kemet C0603C223K1RACTU Farnell 1865548  

C10   56n 0603 Конденсатор Kemet C0603C563K3RACTU Farnell 2522421

C11   10 мкФ 35 В AVX TPSD106K035R0300 Farnell 1432608 Тантал, размер D (7,3 мм x 4,3 мм) Метки на полосах ‘+’

R1 1. 2k 0603 Resistor(sets the current limit to 250mA  CR0603-FX-1201ELFCR0603-FX-1201ELF Farnell 2333528

R2 270k  1% 0603 Resistor (sets the output voltage to 14V) ERJ3EKF2703V Farnell 2303262  

R3 12k   1% 0603 Резистор (устанавливает выходное напряжение на 14 В) CR0603-FX-1202FELF FARNELL 2335883

R4 470K 0603 Резистор CR0603-FX-4703ELFCR0603-FX-4703FELF FARNELL 233613

U15SLERVELNELL FARNELL 2333613

U15SLERISLE 3333613

U15SLE 3333613

U15SLERMELLELLELLERLELL 233613

LT306SER3SELLELLELLERLELL 233613

.0007

J2 Molex 172286-1204172286-1204 Farnell 2494350 Ultra-Fit-4-верт

Секция двойной железной дороги отрицательный выход:

C12 10UF 25V PANASONIC EEEHD1E100AREEEHDEHDEHDEHD1.100.RACLINLINLINLINLINLINLINLINLINLINLIRINLIRINLINGIRLIRINLIRINLIRINEL-FARILINLININELININLININELININLININLIRINLIRINEL. Конденсатор Kemet C0603C101J1Gactu Farnell 1414602

C14 10UF 35V AVX TPSD106K035R0300 FARNELL 1432608 TANTALUM D (7,3 ммх4,3 мм). 463

R6 280k 1 0603 Resistor(sets the output voltage to-14V  ERJ3EKF2803VERJ3EKF2803V Farnell 2059515

R7 470k 0603 Resistor  CR0603-FX-4703ELFCR0603-FX-4703ELF Farnell 2333613

U2 LT3090EMSE or LT3090IMSE or LT3090MPMSE Farnell 2365998 Negative Voltage Regulator

 

Заглушки и обжимные клеммы третьей секции рельса:

J1-PLUG, J2-PLUG Molex 172256-1002172256-1002 Farnell 2494337 Ultra-Fit 2-контактный корпус разъема Фарнелл 2494336 Ultra-Fit 20AWG

 

Third Rail Section (Positive 5V Regulator):

D1,D2,D3,D4  PMEG10020AELRPMEG10020AELR Farnell 2498546 SOD123W 100 V 2 A low leakage current Schottky barrier rectifier

FB1  FBMh4225HM102NT Farnell 1651731   Ferrite Bead 1210

C1 1u 100 В 1210 Конденсатор Kemet C1210C105K1RACTU Farnell 1793831

C2,C3 5600 мкФ 16 В0002 C4 10uF 25V Panasonic  EEEHD1E100AREEEHD1E100AR Farnell 1714735 case’C SMD Aluminium Electrolytic capacitor

C5 10n  0603 Capacitor       

C6 22n  0603 Capacitor       

C7 15n  0603 Capacitor       

C8 10uF 35V AVX TPSD106K035R0300  Farnell 1432608 Tantalum D size (7.