Импульсный блок питания или линейный: какой выбрать? Линейные и точечные источники света

Лабораторный блок питания представляет собой востребованное среди профессионалов оборудование, которое активно используется инженерами, занимающимися разработкой и ремонтом различных электронных устройств. В настоящий момент существует огромное количество лабораторных источников питания . Число самых разных вариаций столь велико, что новичку будет непросто сориентироваться в таком многообразии оборудование. Чтобы выбрать оптимальный источник питания для определенных целей, рекомендуется разобраться в особенностях различных типов блоков, а уже после принимать решение о покупке.

Классификация лабораторных источников питания

Лабораторные источники питания можно классифицировать по самым разным параметрам. Наиболее популярный метод классификации – по принципу действия, в соответствии с которым все источники питания можно разделить на импульсные и линейные. Последние также называют трансформаторными.

Каждый из типов блоков имеет свои преимущества. Так, к примеру, импульсный блок питания характеризуется высоким коэффициентом полезного действия и значительно большей мощностью по сравнению с трансформаторными агрегатами. В тоже время линейный источник питания обладает такими достоинствами как простота и надежность конструкции, а также низкая стоимость ремонта и ценовая доступность запчастей.

Линейный блок питания

Традиционным блоком питания является линейный блок. Его конструкция состоит из автотрансформатора и понижающего трансформатора. Также имеется выпрямитель, который преобразует переменное напряжение в постоянное. Преимущественное большинство моделей укомплектовано выпрямителем, состоящим из одного или четырёх диодов, составляющих так называемые диодный мост. При этом есть и другие конструкционные схемы, но они используются гораздо реже. В некоторых моделях после выпрямителя может быть инсталлирован специальный фильтр, который стабилизирует колебания в сети. Как правило, эту функцию выполняет высокоемкостный конденсатор. В некоторых моделях предусмотрены фильтры высокочастотных помех, стабилизаторы тока и напряжения и многое другое. Простейший линейный блок питания, возможно, сделать своими руками, при этом, основным и самым дорогим компонентом является понижающий трансформатор – Т1.

Схема линейного блока питания

Среди мастеров, которые специализируются на ремонте и обслуживании электроники и радиотехники, самым востребованным линейным блоком питания считается модель с выходными характеристиками напряжения в регулируемом диапазоне 0-30 В и тока в диапазоне 0-5А, например - источник питания постоянного тока . Этот блок представляет собой высокоточный агрегат, с помощью которого можно легко и тонко настраивать параметры переменного тока и напряжения в установленных номинальных рамках. Оборудование функционирует в двойном режиме – цифровой индикатор одновременно показывает актуальные показатели напряжение и выходного тока. Кроме того, данная модель имеет режим защиты от короткого замыкания (кз), перегрузки по току и функцию самовосстановления.

Импульсный блок питания

В наши дни преимущественное большинство используемых блоков питания – это агрегаты импульсного типа. Эти блоки представляют собой фактически инверторную систему. Принцип их работы прост – происходит предварительное выпрямление входного напряжения, после чего оно преобразуется в импульсы с увеличенной частотой и необходимыми параметрами скважности. В импульсных блоках питания используются небольшие трансформаторы, которых более чем достаточно, поскольку увеличение частоты повышает эффективность трансформатора, а значит нет необходимости в больших габаритах. Нередко сердечник трансформатора изготавливается из ферромагнитных материалов, что, помимо всего прочего, существенно облегчает конструкцию.

Что же обеспечивает стабилизацию напряжения? Эту функцию берёт на себя отрицательная обратная связь, которая поддерживает выходное напряжение на одном уровне. При этом не учитывается величина нагрузки и колебания входного напряжения. Импульсный блок питания, также возможно сделать, своими руками, но в этом случае основными компонентами являются, линейный регулятор - LM7809, либо ШИМ контроллер TL494, а также импульсный трансформатор Т1.

Схема простого импульсного блока питания

Наиболее востребованным среди профессионалов импульсным агрегатом, который пользуется спросом и среди любителей, и среди профессионалов, считается импульсный блок питания – эталон компактности и удобства. Этот лабораторный источник импульсного типа идеально подходит для стабильной работы самых разных электронных схем и устройств. Конструкцией предусмотрена возможность настраивать параметры переменного тока в диапазоне от 0 до 5 А и напряжения от 0 до 30 В, защита от кз, перегрева и перегрузки по току. Данная модель укомплектована плавными регуляторами, которые облегчают точный подбор напряжения и тока. Прибор оснащен удобным цифровым дисплеем, на котором в реальном времени отображаются параметры напряжения и переменного тока.

Что же выбрать? Преимущества и недостатки линейных и импульсных блоков питания.

На сегодняшний день импульсные блоки питания используются повсеместно, и они активно вытесняют с рынка менее удобные линейные агрегаты. Теме не менее, только в работе можно оценить сильные и слабые стороны импульсных и трансформаторных блоков питания.

К достоинствам импульсных агрегатов нужно отнести:
Высокий коэффициент стабилизации;
Высокий коэффициент полезного действия;
Более широкий диапазон входных напряжений;
Более высокая мощность по сравнению с линейными устройствами.
Отсутствие чувствительности к качеству электропитания и частоте входного напряжения;
Небольшие габариты и достойная транспортабельность;
Доступная цена.

К явным недостаткам импульсных источников питания стоит отнести:
Наличие импульсных помех;
Сложность схем, что негативно сказывается на надежности;
Ремонт далеко не всегда удается произвести своими руками.

Трансформаторные блоки питания также имеют ряд плюсов, среди которых:
Простота и надежность конструкции;
Высокая ремонтопригодность и дешевизна запчастей;
Отсутствие радиопомех;

Как вы понимаете, у трансформаторных блоков питания есть и недостатки, среди которых:
Большой вес и габариты, что часто делает транспортировку очень неудобной;
Обратная зависимость между КПД и стабильностью выходного напряжения;
Металлоемкость конструкции.

Лабораторные блоки питания на сегодняшний день представлены огромным ассортиментом агрегатов. Спросом пользуются и импульсные, и трансформаторные блоки. Удачный выбор оборудования напрямую зависит от того, какие цели вы преследуете, приобретая блок питания. Если вы хотите всегда иметь под рукой надежный агрегат с отсутствием радиопомех, который редко ломается и легко поддается ремонту, тогда стоит обратить внимание на трансформаторные блоки питания. Если же для вас важна мощность и коэффициент полезного действия, тогда вам стоит подробнее изучить импульсные устройства.

Уравнение, описывающее приращение температур в пластине, получим так же, как в случае точечного источника теплоты. При­ращение температуры в точке А от мгновенного линейного источ­ника теплоты, который действовал в точке О’, составит в соот­ветствии с уравнением (6.6)

где r2 = x2—y2.

Уравнение (6.25) выражает приращение температур в пласти­не в стадии теплонасыщения. Предельное квазистационарное состояние достигается при оо. В этом случае уравнение (6.25) интегрируется и принимает вид

лг—=т^"да, Ытгл/’+^)’ <6-26>

где Ко-функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка;

Ь = -~ (см. п. 5.2 и 6.1).

Предельное состояние. При нагреве пластины линейным ис­точником теплоты распределение температуры по ее толщине согласно уравнению (6.26) равномерно. Следует, однако, иметь в виду, что в действительности из-за наличия теплоотдачи с по­верхности пластины всегда наблюдается некоторая неравномер­ность распределения температуры по ее толщине. Эта неравно­мерность будет тем значительнее, чем больше величина 4ba/v2. Кроме того, при расчете температуры с учетом теплоотдачи коэф­фициент теплоотдачи а принимался не зависящим от темпера-

туры и имел некоторое среднее значение. Фактически это озна­чает, что в области высоких температур теплоотдача на самом деле будет происходить интенсивнее, а в области низких темпе­ратур слабее, чем это получается из расчета.

Картины распределения приращения температуры в пластине (рис. 6.9) и в плоскости хОу массивного тела (см. рис. 6.8) качественно имеют много общего. Отличие заключается в том, что изотермы в пластине еще более вытянуты, чем в полубеско — иечном теле. Степень вытянутости изотерм зависит не только от условий сварки и теплофизических свойств материала, но и от теплоотдачи в воздух.

Неподвижный источник. Если в уравнении (6.26) принять v = 0, то получим уравнение стационарного температурного поля в пластине:

Температурное поле осесимметрично. В отличие от полубеско — нечного тела, где стационарное состояние достигается благодаря значительному теплоотводу в трех направлениях, стационарное состояние в пластине возможно лишь при наличии теплоотдачи в окружающее пространство. Если теплоотдача отсутствует, т. е.

0, температура АТпр возрастает беспредельно, так как при

V6F/W0 значение функции Ка{л1 Ьг2/а) стремится к бесконеч­ности. Распределение температуры при стационарном процессе в пластине зависит не только от мощности и коэффициента теп­лопроводности К, но и от коэффициента теплоотдачи а и толщи­ны пластины 6.

Пример 5. Построить график изменения температуры в пластине на участке от *=2см до х=-8 см, р= 2 см (см. рис. 6.7,6) при нагреве ее движущимся линейным источником теплоты, когда достигнуто предельное квазистационар — ное состояние; (?=4000Вт, п = 0,1 см/с, 6=1 см; а = 0,085 см2/с, Х=0,42 Вт/(см-К); ср = 4,9 Дж/(см3-К).

Коэффициент теплоотдачи а находим по графику, приведенному на рис. 5.6 для Т=900 К; о=6- 1(Г3 Вт/(см2-К).

Перед вычислением определяем необходимые коэффициенты:

6 = 2а(ср6) = 2,45-10-3 с-1; V v’^/^a’1) + Ь/а = 0,612 см-1;

V/(2a)- -0,59 см"’; q/(2лЩ= 1515 К-

Температуры определяем для точек л=2; 0; -2; -4; -6; -8 см по формуле (6.26). Для удобства вычислений результаты вносим в таблицу в такой последо­вательности: Ко (и) « e-“VV(2^ [ 1 — 1/(8“)]. ПЛОСКИЙ ИСТОЧНИК В БЕСКОНЕЧНОМ СТЕРЖНЕ Представим, что плоский источник теплоты ПОСТОЯННОЙ мощ­ности q равномерно распределен по поперечному сечению стерж­ня F и перемещается с постоянной скоростью v в направлении вдоль стержня (см. рис. 6.7, б). Боковая поверхность отдает теплоту в окружающую среду при постоянном коэффициенте теплоотдачи а. Приращение температуры в точке А от мгновенного плоского источника, который действовал в точке О’ t с назад, составит Начало координат движется вместе с источником теплоты и находится в точке О. Интегрируем приращения температуры от всех мгновенных источников теплоты в пределах от 0 до t„- (6.29) Уравнение (6.29) описывает приращение температуры в плас­тине в стадии теплоиасыщения. Предельное квазистационарное состояние достигается при tH оо. В этом случае уравне­ние (6.29) после введения замены t = и2 и интегрирования при­нимает вид 22- (см. п. 6.1). Предельное состояние. При нагреве стержня плоским источ­ником теплоты распределение температуры по поперечному сече­нию стержня согласно уравнению (6.30) равномерно. В действи­тельности из-за теплоотдачи с поверхности стержня всегда бу­дет наблюдаться некоторая неравномерность распределения тем­пературы по его поперечному сечению. Распределение температуры вдоль стержня будет характери­зоваться быстрым нарастанием температуры впереди источника теплоты и весьма плавным спадом температуры позади источ­ника (рис. 6.10). Если 4ba/v2 - 0, т. е. теплоотдача отсутствует, То температура позади ис­ точника теплоты будет ос­таваться постоянной. Неподвижный источ­ник. Если в уравнении (6.29) v = 0, то получим уравнение стационарного температурного поля в стержне: Стационарное состоя­ние в стержне возможно лишь при наличии тепло­отдачи в окружающую среду. Распределение приращений температуры при стационар­ном процессе в стержне зависит от к, b, F и eg.

Отличаются предельной простотой и надежностью, отсутствием высокочастотных помех. Высокая степень доступности комплектующих и простота изготовления делает их наиболее привлекательными для повторения начинающими радио-конструкторами. Кроме того, в некоторых случаях немаловажен и чисто экономический расчет -- применение линейных ИП однозначно оправдано в устройствах, потребляющих до 500 мА, которые требуют достаточно малогабаритных ИП. К таким устройствам можно отнести:

• * зарядные устройства для аккумуляторов;
• * блоки питания радиоприемников, АОНов, систем сигнализации и т.д.

Некоторые конструкции, не требующие гальванической развязки с промышленной сетью, можно питать через гасящий конденсатор или резистор, при этом потребляемый ток может достигать сотен мА.

Эффективность и рациональность применения линейных ИП значительно снижается при токах потребления более 1 А. Причинами этого являются следующие явления:

• * колебания сетевого напряжения сказываются на коэффициенте стабилизации;
• * на входе стабилизатора приходится устанавливать напряжение, которое будет заведомо выше минимально допустимого при любых колебаниях напряжения в сети, а это значит, что когда эти колебания высоки. Необходимо устанавливать завышенное напряжение, что в свою очередь влияет на проходной транзистор (неоправданно большое падение напряжения на переходе, и как следствие -- высокое тепловыделение);
• * большой потребляемый ток требует применения габаритных радиаторов на выпрямляющих диодах и регулирующем транзисторе, ухудшает тепловой режим и габаритные размеры устройства в целом.

В настоящее время традиционные линейные источники питания все больше вытесняются импульсными. Однако, несмотря на это, они продолжают оставаться весьма удобным и практичным решением в большинстве случаев радиолюбительского конструирования (иногда и в промышленных устройствах). Причин тому несколько: во-первых, линейные источники питания конструктивно достаточно просты и легко настраиваются, во-вторых, они не требуют применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они значительно надежнее импульсных ИП.

Типичный линейный ИП содержит в своем составе:

• · сетевой понижающий трансформатор
• · диодный мост с фильтром
• · стабилизатор, который преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора.

Основным недостатком такой схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е. требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые для ИП в целом, например, для ИП мощностью 10 Вт требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.п.). Причиной этого является принцип по которому функционируют стабилизаторы линейных ИП. Он заключается в рассеивании на регулирующем элементе некоторой мощности.

Ppac = Iнагр * (Uвх - Uвых)

Из формулы (1) следует, что чем больше разница между входным и выходным напряжением стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на регулирующем элементе. С другой стороны, чем более нестабильно входное напряжение стабилизатора, и чем больше оно зависит от изменения тока нагрузки, тем более высоким оно должно быть по отношению к выходному напряжению. Таким образом видно, что стабилизаторы линейных ИП функционируют в достаточно узких рамках допустимых входных напряжений, причем эти рамки еще сужаются при предъявлении жестких требований к КПД устройства. Зато достигаемые в линейных ИП степень стабилизации и подавление импульсных помех намного превосходят другие схемы.

По размеру все источники света можно условно разбить на две группы:

точечные,

линейные.

Точечным называют такой источник света, размеры которого настолько малы по сравнению с расстоянием до приемника излучения, что ими можно пренебречь.

На практике за точечный источник света принимается такой, максимальный размер L которого по крайней мере в 10 раз меньше расстояния г до приемника излучения (рис.1).

Для таких источников излучения освещенность определяется по формуле Е = (I/r 2)· cosα ,

где Е,I - соответственно освещенность поверхности и сила света источника излучения; r - расстояние от источника света до фотоприемника; α - угол, на который фотоприемник переместился от нормали.

Рис. 1. Точечный источник света

Например, если лампа диаметром 10 см освещает поверхность на расстоянии 100 м, то эту лампу можно считать точечным источником. Но если расстояние от этой же лампы до поверхности будет 50 см, то лампу уже нельзя считать точечным источником. Типичный пример точечного источника света - звезда на небе. Размеры звезд огромны, но расстояние от них до Земли на много порядков больше.

Точечными источниками света в электрическом освещении считаются галогенные и светодиодные лампы для встраиваемых светильников. Светодиод является практически точечным источником света, так как его кристалл микроскопических размеров.

К линейным источникам излучения относят те излучатели, у которых относительные размеры по любому из направлений больше размеров точечного излучателя. По мере удаления от плоскости измерения освещенности относительные размеры такого излучателя могут достигнуть такого значения, при котором данный источник излучения превращается в точечный.

Примеры электрических линейных источников света: люминесцентные лампы, светодиодные RGB-ленты. Но, согласно определения, к линейным (протяженным) источникам света можно отнести все источники, которые не считаются точечными.

Если из точки, в которой расположен точечный источник излучения, отложить в различных направлениях в пространстве векторы силы света и через их концы провести поверхность, то получится фотометрическое тело источника излучения. Такое тело полностью характеризует распределение потока излучения в пространстве.

По характеру распределения силы света в пространстве точечные источники делятся также на две группы. Первую группу составляют источники с симметричным относительно некоей оси распределением силы света (рис. 2). Такой источник называется круглосимметричным.

Рис. 2. Модель симметричного излучателя

Если источник круглосимметричный, то его фотометрическое тело является телом вращения и может быть полностью охарактеризовано вертикальным и горизонтальным сечениями, проходящими через ось вращения (рис. 3).

Рис. 3. Продольная кривая распределения силы света симметричного источника

Вторую группу составляют источники с несимметричным распределением силы света. У несимметричного источника тело распределения силы света не имеет оси симметрии. Чтобы характеризовать такой источник, строят семейство продольных кривых силы света, соответствующих различным направлениям в пространстве, например через 30°, как на рис. 4. Обычно такие графики строят в полярных координатах.

Рис. 4. Продольные кривые распределения силы света нессиметричного источника

Наверное ни для кого не секрет, что большинство специалистов, радиолюбителей и просто технически грамотных покупателей блоков питания с опаской относятся к , оставляя предпочтение линейным.

Причина проста и понятна. Репутация импульсных блоков питания серьезно подорвана еще в 80-х годах, во времена массовых отказов отечественных цветных телевизоров, низкокачественной импортной видеотехники, оснащенных первыми импульсными модулями питания.

Что мы имеем на сегодняшний день? Практически во всех современных телевизорах, видеоаппаратуре, бытовой технике, компьютерах используются импульсные источники питания. Все меньше и меньше сфер применения линейных (аналоговых, параметрических) источников питания. сегодня в бытовой аппаратуре практически не найдешь. А стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на бурный прогресс электроники, преодоление стереотипов происходит очень медленно.

Недостатки источников питания

Давайте попробуем объективно посмотреть на сегодняшнее положение и попробуем изменить мнение специалистов. Рассмотрим «стереотипные» и присущие импульсным источникам питания недостатки: сложность, ненадежность, помехи.

Сложность

Да, они сложные, точнее сказать сложнее аналоговых, но намного проще компьютера или телевизора. Вам не нужно разбираться в их схемотехнике, так же как и в схемотехнике цветного телевизора. Оставьте это профессионалам. Для профессионалов там нет ничего сложного.

Недостатки источников питания - Ненадежность

Элементная база импульсных источников питания не стоит на месте. Современная комплектация, применяемая в источниках питания, позволяет сегодня с уверенностью сказать: ненадежность – это миф. В основном надежность блоков питания, как и любого другого оборудования, зависит от качества применяемой элементной базы. Чем дороже блок питания, тем дороже элементная база в нем. Высокая интеграция позволяет реализовать большое количество встроенных защит, которые порой недоступны в линейных источниках.

Недостатки источников питания - Помехи

Кроме этого, благодаря современным технологиям импульсные источники позволяют существенно сгладить пульсации сетевого напряжения.

А какие достоинства источников питания?

Достоинства источников питания - Высокий КПД (вплоть до 90-98%)

Высокий КПД связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом источнике это сетевой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В импульсном источнике нет ни того ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора – ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии минимальны.

КПД аналогового источника может быть порядка 50%, то есть половина его энергии (и ваших денег) уходит на нагрев окружающего воздуха, проще говоря, улетают на ветер.

Достоинства источников питания - Небольшой вес

Меньший вес за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса импульсного источника питания в разы меньше аналогового.

Достоинства источников питания - Меньшая стоимость

Спрос рождает предложение. Благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности сегодня мы имеем низкие цены силовой базы импульсных источников питания. Чем больше выходная мощность импульсного источника питания, тем дешевле стоит источник по сравнению со стоимостью аналогичного линейного источника.

Кроме того, главные компоненты аналогового источника (медь, железо трансформатора, радиаторы из алюминия) постоянно дорожают.

Достоинства источников питания - Надежность

Вы не ослышались, надежность. На сегодняшний момент импульсные источники питания надежнее линейных за счет наличия в современных блоках питаниях встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания, перегрузки, скачков напряжения, переполюсовки выходных цепей. Высокий КПД обуславливает меньшие теплопотери, что в свою очередь обуславливает меньший перегрев элементной базы источника, что так же является показателем надежности.

Достоинства источников питания - Требования к сетевому напряжению

Что творится в отечественных электросетях, вы наверно знаете не понаслышке. 220 Вольт в розетке скорее редкость, чем норма. А импульсные источники питания допускают широчайший диапазон питающего напряжения, недостижимого для линейного.

Типовой нижний порог сетевого напряжения для импульсного источника 90-110 Вольт, любой аналоговый источник при таком напряжении в лучшем случае «сорвется в пульсации» или просто отключиться.

Итог - какой источник питания выбрать?

Итак, импульсный или линейный? Выбор в любом случае за вами, мы лишь хотели помочь вам объективно взглянуть на импульсные источники питания и сделать правильный выбор. Только не забывайте, что качественный источник – это источник сделанный профессионально, на базе качественных комплектующих. А качество это всегда цена. Бесплатный сыр только в мышеловке. Впрочем последняя фраза в равной мере относится к любому источнику, и к импульсному и к аналоговому.