Pulzní napájení nebo lineární

Výběr laboratorního zdroje je úkol, se kterým se dříve či později potýká téměř každý elektronik, a není to snadný úkol. Pro usnadnění výběru laboratorního zdroje jsou v tomto článku popsány výhody a nevýhody hlavních typů laboratorních zdrojů a jejich parametry. Předpokládá se, že laboratorní zdroj má režimy stabilizace napětí a proudu, jinak takový zdroj pravděpodobně není laboratorní.

Spínací nebo lineární laboratorní zdroj

Pro začátek si definujme pojmy pod pulzními budou laboratorní zdroje, u kterých je regulace výstupního napětí a proudu u lineárních zajištěna pomocí pulsně šířkové modulace (PWM) – přes lineární ovládací prvek, obvykle a bipolární tranzistor.

Výhody spínaného zdroje:

• malé rozměry a hmotnost;
• obvykle vysoký výstupní proud;
• relativně nižší náklady;
• vysoká účinnost.

Nevýhody spínaného zdroje:

• relativně vysoké zvlnění výstupního napětí/proudu;
• přítomnost významného elektromagnetického rušení (typické pro levné „čínské“ napájecí zdroje);
• nízký výkon (bude podrobně popsáno níže).

Výhody lineárních napájecích zdrojů:

• nízké zvlnění výstupního napětí a proudu;
• vysoký výkon.

Nevýhody lineárních zdrojů:

• velké rozměry a hmotnost;
• relativně malý výstupní proud (obvykle ne více než 5A);
• nízká účinnost.

S takovými parametry, jako jsou rozměry, hmotnost a účinnost, je vše jasné, zde je výběr spíše věcí vkusu a dostupnosti volného místa na ploše, ale pojďme se blíže podívat na vlnění, rušení a výkon.

Takže u spínaných zdrojů se úroveň výstupního napětí (proudu) reguluje změnou náplně PWM (rezonanční zdroje neuvažujeme, protože mají malý regulační rozsah), tzn. trvání pulsu, pro získání „plochého“ napětí na výstupu se používají LC nebo C filtry a čím větší je kapacita filtračního kondenzátoru, tím je zvlnění nižší.

Pro získání zvlnění nízkého napětí (proudu) jsou tedy zapotřebí relativně velké kapacitní kondenzátory (obvykle na úrovni 1000-2000 μF). Samozřejmě, pokud výrazně zvýšíte frekvenci PWM, pak lze snížit kapacitu kondenzátorů, ale pak se výrazně zvýší ztráty ze spínacích tranzistorů a zmizí výhody spínaného zdroje.

Velká kapacita na výstupu laboratorního zdroje je nežádoucí z důvodů ochrany zařízení, které je napájeno zdrojem, protože při nadproudu dochází k vybití této kapacity do zátěže a i přes přítomnost režim stabilizace proudu v napájecím zdroji, zařízení může selhat.

Navíc je vzhledem k velké kapacitě na výstupu záměrně nadhodnocována „reakční doba“ zdroje, proto lze při připojení značné zátěže pozorovat výrazné poklesy napětí a při odpojení rázy (přepětí) . Poklesy napětí nejsou tak hrozné, ale napěťové rázy mohou mít negativní dopad na napájené zařízení.

Pro lepší pochopení výše uvedeného uvažujme nejjednodušší případ napájení LED z laboratorního zdroje. Řekněme, že jmenovitý proud LED je 20mA, úbytek napětí je 2V, takže pokud nastavíme proudový limit na zdroji na 20mA, a napětí alespoň na 5V, tak při připojení ke spínanému zdroji s velkým výstupní kapacitě, LED s největší pravděpodobností vyhoří, protože Výstupní kondenzátor nabitý na 5V bude vybíjen do LED nekontrolovaným proudem. Samozřejmě můžete předem nastavit záměrně nižší napětí, ale laboratorní zdroj je jen laboratoř, která má pomoci elektrotechnikovi v nouzových situacích. Totéž platí pro nesprávné připojení plus/mínus. V případě spínaného zdroje bude výstupní kondenzátor vypouštět nekontrolovaný proud do zařízení a pravděpodobně jej poškodí.

U lineárních zdrojů je na výstupu instalována relativně malá kapacita (na úrovni 10-100 μF) a je potřeba nestabilizovat výstupní napětí, ale zajistit stabilitu proudových a napěťových stabilizačních obvodů.

Lineární laboratorní napájecí zdroj s malou výstupní kapacitou je rychlejší a pravděpodobněji zachrání vaše zařízení v nouzových situacích.

Zvlnění výstupního napětí (proudu) spínaného zdroje je obvykle větší než u lineárního, ale pro spravedlnost je třeba poznamenat, že i úroveň zvlnění spínaného zdroje je pro drtivou většinu zařízení dostatečná. takže je to spíše vlastnost než nevýhoda.

Podívejme se na problematiku elektromagnetického rušení spínaného zdroje Někteří elektrotechnici jsou přesvědčeni, že naprosto všechny spínané zdroje jsou „hlučné“ a nejsou vhodné pro napájení řekněme audio zařízení.

Není to tak úplně pravda, rušení samozřejmě nelze snížit na nulu, ale rušení od dobře navrženého spínaného zdroje je nepodstatné a nepostihuje drtivou většinu spotřebitelů, navíc rušení od zdrojů různých zařízení jako je pájecí stanice nebo zářivka může být více než rušení ze zdroje napájení. Spínacích zdrojů byste se proto neměli záměrně „vzdát“, jen je třeba k jejich výběru přistupovat opatrněji.

Přes značné výhody lineárních zdrojů mají také významnou nevýhodu – zpravidla relativně nízký výstupní proud, maximální výstupní proud lineárních zdrojů je 5A. To je způsobeno velkými ztrátami na regulačním prvku.

Kromě čistě spínaných a lineárních zdrojů existují laboratorní zdroje s kombinovanou regulací, zejména laboratorní zdroj PS-3010PL3. Tento zdroj využívá dvojitou regulaci napětí, napětí je nejprve sníženo spínacím stabilizátorem na napětí o 1-2V vyšší než je požadované výstupní napětí a následně redukováno obvodem lineárního stabilizátoru napětí na požadované, toto řešení umožňuje vysoký výkon stabilizačního obvodu a vysoký výstupní proud (až 10A). Výstupní zvlnění takového napájecího zdroje je mírně vyšší než u tradičního lineárního napájecího zdroje, ale nižší než u tradičního spínaného napájecího zdroje.

Rozsah výstupního napětí a proudu, počet kanálů

Nejběžnější laboratorní zdroje jsou s maximálním výstupním napětím 18, 30, 60 V a maximálním výstupním proudem 3, 5, 10A. Když jsou výstupní proudy větší než 10A, je gradace obvykle libovolná.

Volba napěťového a proudového rozsahu laboratorního zdroje závisí na prováděných úkolech, například pro napájení nízkonapěťových zařízení na mikrokontrolérech stačí 18V zdroj.

Pokud teprve začínáte ovládat elektroniku a nemůžete předvídat, jaká zařízení budete v budoucnu sestavovat a ladit, pak pokud máte rozpočet, je lepší zvolit 30V laboratorní zdroj, pokud máte omezený rozpočet, 18V napájení zdroj je vhodný i v budoucnu jako doplňkový nebo záložní zdroj, pokud potřebujete dokoupit zdroj 30 nebo 60V.
Vyřešili jsme maximální výstupní napětí, nyní se podívejme, jaký výstupní proud potřebujeme.

Pro většinu případů je výstupní proud 5A více než dostačující, ale pokud pracujete například s automobilovou elektronikou, pak by nebylo na škodu mít zdroj s výstupním proudem až 10-20A . Laboratorní zdroj s výstupním proudem do 3A je vhodný v případě, že neplánujete ladit poměrně výkonná zařízení, omezujete se například na programování mikrokontrolérů.

Při výběru laboratorního zdroje byste měli dbát také na přesnost a diskrétnost měření výstupního proudu většina levných zdrojů má diskrétnost měření proudu 10 mA, což nemusí být dostatečné pro ladění nízkopříkonových zařízení a bateriových zdrojů; zařízení.

Kolik kanálů by měl mít laboratorní napájecí zdroj? Nejběžnější jsou jednokanálové napájecí zdroje, ale pokud plánujete pracovat v audiotechnice, pak je vhodné mít dvoukanálový napájecí zdroj, který umožňuje zapojit kanály do série, což vám umožní přijímat bipolární napájení napětí.

Dvoukanálové laboratorní napájecí zdroje mohou být také vhodné pro současné ladění několika zařízení nebo zařízení s více sekundárními napájecími zdroji, ale vícekanálové napájecí zdroje jsou mnohem dražší než jednokanálové a pro napájení relativně nízkopříkonových zařízení může být snazší si sami sestavit přídavný zdroj s nízkou spotřebou, např. výstupní napětí 5 nebo 3,3V a výstupní proud 1-2A.

Rozhraní – knoflíky, tlačítka, indikátory

A opět trocha terminologie. Laboratorní zdroje jsou programovatelné a klasické (neprogramovatelné). U programovatelných laboratorních napájecích zdrojů se výstupní napětí nastavuje klávesnicí, tlačítky nebo kodérem a v obvodu stabilizace proudu a napětí se pomocí digitálně-analogových převodníků (DAC) vytvářejí odpovídající referenční napětí, tzn. výstupní napětí a proud jsou jasně specifikovány uživatelem a napájecí zdroj je poskytuje (samozřejmě s přihlédnutím k chybě).

U běžných (neprogramovatelných) laboratorních zdrojů se výstupní napětí a proud nastavují proměnnými odpory (twisty), které jsou připojeny přímo na zpětnovazební smyčku a/nebo jako dělič referenčního napětí, přičemž aktuální výstupní napětí je určeno čtení indikátoru napětí v režimu „online“ a maximální výstupní proud je nastaven indikátorem proudu při sepnutém výstupu.

Je třeba poznamenat, že programovatelné laboratorní zdroje mají zpravidla funkci připojování a odpojování zátěže
Programovatelný laboratorní napájecí zdroj je tedy lepší volbou, protože. pohodlnější použití, ale za pohodlí musíte zaplatit, protože tyto zdroje jsou dražší než konvenční.

Důležitou vlastností konvenčních (neprogramovatelných) napájecích zdrojů je, že při jejich zapnutí/vypnutí může dojít ke krátkodobým napěťovým rázům na výstupu, které mohou poškodit připojené zařízení, takže pokud přesto takový zdroj zvolíte , zkontrolujte tuto funkci .

Dalším prvkem rozhraní jsou indikátory pro programovatelné zdroje, výstupní parametry (proud a napětí) jsou indikovány digitálními indikátory, ale pro běžné laboratorní zdroje jsou číselníkové indikátory.

Z hlediska přesnosti zobrazení jsou digitální indikátory lepší, protože měření napětí a proudu se provádí pomocí analogově-digitálního převodníku (ADC) a typická chyba čtení je 0,5-1%, zatímco v přítomnosti číselníkových indikátorů se napětí a proud měří přímo jimi a typická chyba měření je 1,5-2,5 XNUMX % a může se časem zvyšovat, jak pružina ukazatele slábne.

Shrnutí

Lineární laboratorní zdroj je rychlejší než spínaný zdroj a je vhodnější pro ladění zařízení, protože v případě nouzových situací je pravděpodobnost, že zdroj „zachrání“ zařízení, mnohem vyšší. Pokud přesto padla volba na spínaný laboratorní zdroj, měli byste být při ladění zařízení opatrnější.

Pro napájení energeticky náročných zařízení s proudovým odběrem větším než 5A budou vhodnější spínané laboratorní zdroje. V tomto případě byste si měli vybrat vysoce kvalitní napájecí zdroje od důvěryhodných společností, protože Levné „čínské“ zdroje mohou mít vysokou hlučnost.

Za zmínku stojí zejména napájecí zdroje s kombinovanou regulací (viz zdroj PS-3010PL3) mají vysoký výkon (viz video) a relativně vysoký výstupní proud.
Pro vstupní zařízení a zařízení na bázi mikrokontrolérů stačí laboratorní zdroj s výstupními parametry 18V 3A, univerzálnější však bude zdroj s výstupními parametry 30V 5A (s rezervou do budoucna).

Pokud plánujete ladění bateriově napájených zařízení, měli byste dbát na diskrétnost měření proudu, upřednostněte zdroje s rozlišením 1 mA.

Programovatelné laboratorní zdroje jsou pohodlnější na použití a mají funkci odpojení zátěže, i když pro někoho může být pohodlnější klasická verze s proměnnými odpory. Pokud máte laboratorní zdroj s proměnnými rezistory, měli byste zkontrolovat, zda na výstupu zdroje nejsou napěťové rázy (přepětí) při zapnutí a vypnutí napájení.

Výběr laboratorního zdroje není snadný úkol, doufáme, že vám náš článek pomůže vybrat laboratorní zdroj, který je pro vás vhodný.

Spínaný zdroj nebo lineární. Pozadí

Není asi žádným tajemstvím, že většina specialistů, radioamatérů a prostě technicky gramotných kupců napájecích zdrojů se spínaných zdrojů obává a dává přednost lineárním.

Důvod je jednoduchý a jasný. Pověst spínaných zdrojů byla vážně narušena již v 80. letech, v době hromadných výpadků domácích barevných televizorů a nekvalitních importovaných videozařízení vybavených prvními spínanými zdroji.

co máme dnes? Téměř všechny moderní televizory, video zařízení, domácí spotřebiče a počítače používají spínané zdroje napájení. Oblastí použití lineárních (analogových, parametrických) zdrojů je stále méně. Lineární napájecí zdroj dnes ve vybavení domácnosti téměř nenajdete. Ale stereotyp zůstává. A to není konzervatismus, i přes rychlý pokrok elektroniky se překonávání stereotypů děje velmi pomalu.

Zkusme se objektivně podívat na dnešní situaci a zkusme změnit názor odborníků. Podívejme se na „stereotypní“ a inherentní nevýhody spínaných zdrojů: složitost, nespolehlivost, rušení.

Spínaný zdroj. Stereotyp „složitost“

Ano, spínané zdroje jsou složité, přesněji, složitější než analogové, ale mnohem jednodušší než počítač nebo televize. Nemusíte rozumět jejich obvodům, stejně jako nepotřebujete rozumět obvodům barevného televizoru. Nechte to na profesionálech. Pro profesionály tam není nic složitého.

Spínaný zdroj. Stereotyp „nespolehlivost“

Základna prvku spínaného zdroje nestojí v klidu. Moderní vybavení používané ve spínacích zdrojích nám dnes umožňuje s jistotou říci: nespolehlivost je mýtus. Spolehlivost spínaného zdroje, stejně jako jakéhokoli jiného zařízení, závisí v zásadě na kvalitě použité základny prvků. Čím dražší spínaný zdroj, tím dražší elementová základna v něm. Vysoká integrace umožňuje implementaci velkého množství vestavěných ochran, které někdy nejsou v lineárních zdrojích dostupné.

Spínaný zdroj. Stereotyp „interference“

Obvod spínaných zdrojů zahrnuje vytváření silných impulsů a tlumených oscilací ve vinutí transformátoru. Tyto spínací procesy předurčují široké spektrum rušivého záření.
Pouzdro a propojovací vodiče zdroje se proto mohou stát anténou pro vyzařování rádiového rušení. Pokud je ale konstrukce spínaného zdroje pečlivě navržena, můžete na rušení zapomenout. Spínané zdroje navíc dokážou díky moderním technologiím výrazně vyhladit vlnění síťového napětí.

Jaké jsou výhody spínaného zdroje?

Spínaný zdroj. Vysoká účinnost

Vysoká účinnost (až 98 %) spínaného zdroje je spojena se zvláštností konstrukce obvodu. Hlavní ztráty v analogovém zdroji jsou síťový transformátor a analogový stabilizátor (regulátor). Spínaný zdroj nemá ani jedno, ani druhé. Místo síťového transformátoru je použit vysokofrekvenční transformátor a místo stabilizátoru klíčový prvek. Vzhledem k tomu, že klíčové prvky jsou většinu času buď zapnuté, nebo vypnuté, energetické ztráty v spínaném zdroji jsou minimální. Účinnost analogového zdroje může být asi 50 %, to znamená, že polovina jeho energie (a vašich peněz) jde na ohřev okolního vzduchu, jinými slovy jde do odpadu.

Spínaný zdroj. Nízká hmotnost

Spínaný zdroj má menší hmotnost díky tomu, že s rostoucí frekvencí je možné použít menší transformátory se stejným přenášeným výkonem. Hmotnost spínaného zdroje je několikanásobně menší než u analogového.

Spínaný zdroj. Nižší náklady

Poptávka vytváří nabídku. Díky hromadné výrobě unifikované článkové základny a vývoji klíčových výkonových tranzistorů máme dnes nízké ceny výkonové základny spínaných zdrojů. Čím vyšší je výstupní výkon, tím je zdroj levnější v porovnání s cenou podobného lineárního zdroje. Navíc hlavní komponenty analogového zdroje (měď, trafostanice, hliníkové radiátory) neustále zdražují.

Spínaný zdroj. Spolehlivost

Slyšeli jste dobře, spolehlivost. Dnes jsou spínané zdroje spolehlivější než lineární, protože v moderních napájecích zdrojích jsou vestavěné ochranné obvody z různých nepředvídaných situací, například od zkratů, přetížení, napěťových rázů a přepólování výstupních obvodů. Vysoká účinnost způsobuje menší tepelné ztráty, což následně způsobuje menší přehřívání základny spínaného napájecího prvku, což je také ukazatelem spolehlivosti.

Spínaný zdroj. Požadavky na síťové napětí

Pravděpodobně víte z první ruky, co se děje v domácích energetických sítích. 220 voltů v zásuvce je vzácnější než norma. A spínané zdroje umožňují široký rozsah napájecích napětí, pro lineární nedosažitelný. Typický spodní práh síťového napětí pro spínaný zdroj je 90. 110 V jakýkoli analogový zdroj se při tomto napětí v nejlepším případě „zvlní“ nebo se jednoduše vypne.

Takže pulzní nebo lineární? Volba je v každém případě na vás, jen jsme vám chtěli pomoci objektivně se podívat na spínané zdroje a vybrat si tu správnou. Jen nezapomeňte, že kvalitní zdroj je zdroj vyrobený profesionálně s použitím vysoce kvalitních komponentů. A kvalita je vždy cena. Sýr zdarma je pouze v pasti na myši. Poslední věta však platí stejně pro jakýkoli zdroj, jak pulzní, tak analogový.

Přečtěte si také související

• Napájecí zdroje DIN a REK
• SKAT STELBERRY – napájecí zdroje pro napájení profesionální audio techniky
• Zálohování UPS, interaktivní, online
• Nepřerušitelný zdroj napájení 220V
• Jak vybrat nepřerušitelný nebo záložní zdroj napájení