Схемы блоков питания: типы, принципы проектирования и характеристики

Блоки питания бывают нескольких стандартных типов, каждый со своими компромиссами по цене, размеру, КПД и стабильности выхода. Понимание основ нестабилизированных, линейно стабилизированных, импульсных и пульсаций-стабилизированных схем необходимо для выбора правильного решения под задачу.

Нестабилизированные

Нестабилизированный блок — самая базовая схема: трансформатор, выпрямитель и ФНЧ. Он выдаёт постоянное напряжение, прямо следующее за входным, поэтому любые колебания сети или батареи отражаются на нагрузке. Архитектура дешёвая, простая и по своей природе эффективная, но имеет значительный пульсации и сетевой шум. Подходит для низкоточных или маломощных задач, где стабильность напряжения не критична.

Линейно стабилизированные

Линейный стабилизатор добавляет к нестабилизированному блоку транзистор (или каскад) в «активном» режиме. Устройство удерживает фиксированное выходное напряжение, сбрасывая излишки входного напряжения в тепло. Поскольку стабилизатор должен держать выход постоянным, ему нужно входное напряжение минимум на 1–3 В выше желаемого выхода — в зависимости от конкретной детали. Это избыточное напряжение рассеивается как тепло, поэтому большие нагрузочные токи требуют больших радиаторов, увеличивая размер, вес и стоимость. Линейные стабилизаторы дают очень чистый, низкошумящий DC, но их неэффективность делает их неподходящими для мощных или термически ограниченных систем.

Импульсные (Switching)

Импульсные (ключевые) блоки питания заменяют линейный транзистор на быстроключающееся устройство, чередующее насыщение и отсечку. Схема сначала выпрямляет переменку в постоянку, затем быстро инвертирует её в высокочастотный меандр с помощью транзистора. Лёгкий трансформатор поднимает или снижает напряжение, второй выпрямитель + фильтр дают итоговый DC. Стабилизация достигается изменением скважности ключающего элемента. Благодаря малому трансформатору и малым потерям на ключе при открытом состоянии, импульсные блоки высокоэффективны, компактны и могут работать практически от любой сетевой напряженности (отсюда термин «универсальный» блок). Современные высококлассные импульсные блоки дают пульсации и шум, сравнимые с линейными, но стоят дороже. Дешёвые модели могут иметь заметные пульсации, но выдают стабильное среднее напряжение и универсальный вход по более низкой цене.

Пульсационно-стабилизированные (Ripple Regulated)

Пульсационно-стабилизированный блок сочетает простоту «грубой силы» входного каскада с транзистором, работающим строго в насыщении или отсечке. Устройство заряжает большой конденсатор, когда DC напряжение падает ниже нижнего порога, и отключается, когда поднимается выше верхнего, удерживая выход в узкой полосе. Поскольку транзистор редко работает в линейном режиме, тепловыделение минимально. Однако на выходе неизбежно присутствуют пульсации, амплитуда и частота которых зависят от нагрузочного тока, что усложняет точное фильтрацию. Пульсационные стабилизаторы проще и безопаснее в обслуживании полных импульсных блоков, но не достигают шумовой производительности высококлассных импульсных или линейных стабилизаторов.

СВЯЗАННЫЙ ЛИСТ РАБОТЫ:

• Лист работы по стабилизированным источникам питания