Для чего нужен блок питания

Блок питания — важная часть любого электронного устройства. От надёжности этого узла зависит правильное и длительное функционирование всей системы. В статье мы выясним, что такое блоки питания (БП), для чего нужны и какие бывают.

Определение и назначение

Согласно техническому определению, блок питания — это электрическое устройство, предназначенное для формирования напряжений питания. БП — вторичный источник электропитания.

Открываем техдокументацию и читаем. Вторичный источник электропитания преобразует параметры электроэнергии основного источника электроснабжения, например, промышленной сети в электроэнергию с параметрами, необходимыми для работы вспомогательных устройств.

Делаем вывод: назначение блока питания — обеспечение устройств, работающих от электроэнергии, напряжением с заданными параметрами, необходимыми для их функционирования.

Важно! Если прибору требуется несколько разных напряжений (например, ПК), то блок питания имеет несколько выходных каналов — каждый на свою величину.

Виды блоков питания и их различия

По конструктивному исполнению все БП бывают двух типов: встраиваемые и внешние.

Первый тип, как можно догадаться из его названия, встраивается в устройство, которое он питает. Подавляющее большинство бытовой техники имеет встраиваемые так называемые собственные блоки питания. Их задача — преобразовать сетевое напряжение 220 В 50 Гц в одно или несколько необходимых для работы устройства.

Полезно! Внутренним будет считаться и БП в компьютере, хотя он и сделан как отдельный съёмный модуль. Внешний БП представляет собой отдельный модуль в собственном корпусе. Питание с такого модуля подаётся на устройство по кабелю. Обычно такое решение применяют для малогабаритной аппаратуры и аппаратуры с низким энергопотреблением.

А теперь интересный вопрос — зарядка на мобильный телефон или смартфон — это блок питания или зарядное устройство? Для многих — зарядное устройство. Тогда дополнительный вопрос — БП для ноутбука — это блок питания или зарядное устройство? И здесь мнение будет однозначным — и то и другое.

Тогда почему у телефона только зарядник? Кто из нас не работал с разряженным смартфоном, воткнутым в розетку? Да все работали, когда очень надо, а батарея села. Таким образом, и зарядник мобильника, и БП ноутбука — два в одном — это и блок питания, и зарядное устройство.

А вот, например, с аккумуляторным шуруповёртом всё иначе. У него именно зарядное устройство, а не блок питания, поскольку рабочий ток оно обеспечить шуруповёрту не может.

То же самое можно сказать и про автомобильное зарядное устройство — зарядить аккумулятор автомобиля оно может, но обеспечить стартеру необходимый для пуска двигателя ток — нет.

Просмотренные БП бывают 4 видов:

Первый вид обеспечивает заданное стабильное выходное напряжение, которое не зависит от входного, если величина последнего не выходит за допустимые пределы или устройство не потребляет мощность большую, чем может выдать БП. В противном случае простые источники выходят из режима стабилизации, а то и из строя, более «умные» аварийно отключают устройство и отключаются сами, не допуская поломки. Большинство новых блоков питания собрано по схеме со стабилизацией напряжения.

Блоки питания со стабилизацией тока подключают к устройствам, которым нужен стабильный ток. При изменении потребляемой мощности такой блок меняет величину напряжения так, чтобы проходящий через него ток остался неизменным.

Схемы со стабилизацией напряжения и тока часто внедряют в лабораторные блоки питания и автомобильные зарядники. При увеличении потребляемой мощности нагрузкой такой БП поддерживает установленное напряжение, а ток растёт. Когда ток, пройдя через питаемое устройство, достигнет установленного значения, источник начинает держать его (ток) на заданном уровне, при необходимости снижая напряжение.

И наконец, четвёртый вид — без стабилизации — подключают к устройствам, некритичным к величине питающих напряжений. Выходное напряжение в них напрямую зависит от величины входного.

Ну и в завершение поделим блоки питания по принципу работы:

Рассмотрим принцип работы каждого типа блоков питания подробнее.

Устройство трансформаторного блока питания

До недавнего времени блоки питания этого типа использовались в подавляющем большинстве электронных механизмов. Посмотрим, как выглядит схема простейшего трансформаторного БП.

Источник состоит из трансформатора T1, выпрямителя VD1, простейшего стабилизатора VT1, R2, VD2 и сглаживающего фильтра С2, С3, С4. Трансформатор здесь основной узел. Его задача понизить или повысить напряжение первичного источника до необходимой величины. В нашем примере трансформатор понижающий — он преобразует сетевое 220 В в 7 В, необходимых для работы следующих узлов.

Трансформатор имеет две или более индуктивно связанные обмотки. На одну из обмоток, называемую первичной, подаётся напряжение первичного источника. Протекающий по ней переменный ток намагничивания создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех остальных обмотках ЭДС индукции.

Важно! Трансформаторы могут работать только с напряжениями переменного тока. Если первичный источник выдаёт постоянный ток, то применяют другие типы преобразователей величины напряжения. К примеру, импульсные.

Пониженное переменное напряжение поступает на двухполупериодный выпрямитель, собранный по мостовой схеме. В результате его работы оно преобразуется в постоянное пульсирующее. Первичный фильтр, состоящий из конденсатора С2, сглаживает пульсации, превращая пульсирующее напряжение в постоянное.

Выпрямленное и сглаженное — поступает на простейший параметрический стабилизатор, который поддерживает выходное на заданном уровне (в нашем примере 5 В) даже при небольших колебаниях величины напряжения первичного источника. Оно дополнительно сглаживается конденсаторами С3, С4 и поступает на нагрузку. Если стабилизация не нужна, то блок питания будет состоять только из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра.

Осрбенности трансформаторного блока питания

Устройство и работа импульсного блока питания (ИБП)

Принцип работы такого блока питания в корне отличается от принципа действия трансформаторной конструкции. Здесь входное напряжение сначала преобразуется в постоянное, затем в переменное импульсное высокой (порядка десятков кГц) частоты, а уже после этого понижается при помощи импульсного трансформатора и снова выпрямляется.

Важно! Импульсные БП бывают и повышающими. Кроме того, они могут работать с первичными источниками постоянного тока. При этом схема первичного выпрямителя из схемы исключается.

В приведённой схеме напряжение первичного источника выпрямляется при помощи мостового выпрямителя, сглаживается и поступает на импульсный трансформатор через электронный ключ, собранный на транзисторе.

Узел G представляет собой генератор с изменяемой скважностью. Он периодически открывает ключ, и на первичную обмотку трансформатора поступают импульсы, наводящие ЭДС во вторичных обмотках. После разнополярное импульсное напряжение (уже приведённое к необходимой величине) снова выпрямляется, сглаживается и поступает на нагрузку.

Особый интерес представляет обмотка 4 с отдельным выпрямителем, напряжение с которой поступает обратно в блок питания. Это обмотка стабилизации. Далее, с неё подаётся на блок стабилизации BS, который управляет скважностью задающего генератора.

В зависимости от напряжения на этой обмотке скважность (длительность импульсов относительно пауз) генератора автоматически изменяется в ту или иную сторону, а значит, и изменяется выходное напряжение на всех обмотках, поддерживая их на заданном уровне при колебаниях величины входного.

Полезно. Существуют схемы импульсных БП без обратной связи, а значит, источников питания без стабилизации напряжения. Такие блоки питания, например, часто используют в недорогих компактных люминесцентных лампах.

Все приведённые схемы импульсных блоков питания являются простейшими и, конечно, не годятся для серьёзного оборудования. Для примера посмотрим, из чего состоит блок питания персонального компьютера.

Сначала обратим внимание на сетевой фильтр, который устраняет импульсные помехи по сети первичного источника. Дальше — снова выпрямитель и управляемый генератор (инвертор). Только он двухтактный, что существенно повышает КПД источника и его выходную мощность. Потом — всё тот же импульсный трансформатор, но не один, а два. Один основной, второй маломощный и управляется отдельным генератором. Его задача — создание дежурного питания, когда основной БП и сам ПК выключены.

Почему импульсные трансформаторы мощностью до 500 Вт такие маленькие? Дело в том, что размеры магнитопровода, а значит, и трансформатора зависят от частоты, при которой он работает. Чем выше частота, тем меньший магнитопровод можно использовать. Работай он на частоте 50 Гц, то был бы размером с силикатный кирпич.

Дальше необходимые для работы напряжения с основного трансформатора поступают на выпрямители, сглаживающие конденсаторы и снова фильтры, подавляющие высокочастотные помехи. Есть, конечно, и узел стабилизации, который дополнительно является блоком защиты от перегрузки и короткого замыкания. Этот же узел следит за наличием и величиной всех выходных напряжений. Если хотя бы одно из них выйдет за допустимые пределы, материнской плате будет подана команда экстренной остановки системы.

С узлом регулировки оборотов вентилятора всё понятно. Этот узел измеряет температуру на силовых элементах блока питания и по показателям регулирует обороты вентилятора. Это существенно снижает шум от работы БП при сохранении необходимой степени охлаждения. Этот же блок поднимет тревогу, если вентилятор внезапно остановится.

Преимущества и недостатки ИБП

Если мы собрали блок питания мощностью 500 Вт для ПК по трансформаторной схеме, то он бы занял всё место в корпусе ПК. Про вес лучше вообще не упоминать — он бы был неподъёмным. Собранные же на трансформаторах небольших размеров ИБП получаются компактными и лёгкими.

Любой ПК легко запустится и будет отлично работать, скажем, в США, где напряжение в розетках 100–127 В при частоте 60 Гц.

Коэффициент полезного действия ИБП исключительно высок и может достигать 98 %. Для вторичных источников питания это очень много. Схемы на трансформаторах обычно ограничиваются КПД 70 % и менее.

Устройство и работа блока питания с гасящим конденсатором

Это самый простой тип блоков питания. В него включены: конденсатор, выпрямитель и стабилизатор. Вот и весь БП.

В принципе, он мало отличается от трансформаторной схемы, но самого трансформатора здесь нет. Его роль исполняют неполярные высоковольтные конденсаторы. Как они гасят излишек электроэнергии? Дело в том, что в цепях переменного тока конденсатор представляет собой реактивное сопротивление. На нём падает часть напряжения, остальная его часть, величина которой зависит от ёмкости конденсаторов, поступает на выпрямитель, сглаживается конденсатором C3, стабилизируется простейшим параметрическим стабилизатором и поступает на нагрузку.

Стабилитрон VD2 защищает последующие цепи БП от перенапряжения в случае, если нагрузка окажется отключенной. Тогда стабилитрон откроется, войдёт в режим стабилизации, и напряжение на выходе выпрямителя останется на допустимом уровне.

Резистор R2 служит для безопасности конструкции. Он разряжает конденсаторы С1, С2, как только мы выдернем вилку питания БП из розетки. В противном случае нас может ударить током, даже если мы просто возьмёмся за контакты вилки.

Преимущества и недостатки такой схемы

Основным недостатком такой схемы будет отсутствие гальванической развязки с первичным источником питания. Это означает, что при работе от электросети все элементы, включая элементы питаемого оборудования, будут под опасным для жизни напряжением.

Как подобрать для питания конкретной нагрузки

Предположим, нам необходимо запитать какую-то конструкцию или готовый механизм. Как подобрать подходящий БП? Для этого учитываем три основных критерия:

Пусть нам нужно питать низковольтный светодиодный прожектор. Рассчитан он, как указал производитель, на напряжение 12 В, потребляемая мощность 7 Вт.

Сначала рассчитываем потребляемый осветителем ток: 7 : 12 = 0,58 А. Как правило, осветительные приборы требуют стабилизации тока. Значит, нам нужен БП со стабилизатором тока на 580 А. Попробуем найти такой источник питания в интернете. Вот он. Ток стабилизации, правда, на 20 мА больше положенного, но это некритично, поскольку найти источник на точно заданный ток невозможно.

Теперь запитаем магнитолу. Точно так же рассчитываем, читаем на шильдике или измеряем ток на максимальной громкости. Предположим, 8А. Напряжение электропитания бортовой сети автомобиля нам известно — 12–14 В. Какая стабилизация нужна? В принципе, никакой — в автомагнитоле есть встроенный стабилизатор. Важно, чтобы БП выдавал 12–14 В и обеспечивал ток до 10 А (с запасом). Это составит 140 Вт.

В принципе, ничего плохого не будет, если мы возьмём 12-вольтовый БП со стабилизацией напряжения. Но найти сейчас в продаже БП без стабилизатора достаточно сложно.

Для питания светодиодной ленты, конечно, мы выберем БП соответствующей мощности со стабилизатором напряжения 12 или 24 В (зависит от типа используемой ленты).

Импульсный, с трансформатором или гасящим конденсатором? От последнего лучше сразу отказаться — очень опасно. Но если БП будет встроен в прибор, и его никто не будет разбирать, то останется на крайний случай. При этом, конечно, питаемое устройство должно быть маломощным.

Ну а импульсный или трансформаторный — тут решать каждому индивидуально. Если потребляемые токи большие, лучше предпочесть импульсные приборы, поскольку трансформаторные большего размера и веса. Малое потребление? Подойдёт и трансформаторный, особенно если он уже лет 5 валяется на чердаке без дела.

Единственное, выбирая импульсный БП, не следует забывать про электромагнитные помехи и помехи по цепям питания, которые он создаёт. Если в помещении есть оборудование, чувствительное к электромагнитным помехам, то, конечно, нужно выбирать трансформаторную конструкцию.

и стоматологические инструменты, томографы и кровати.