Трансформаторные (линейные) источники питания

• Введение
• Строение линейного блока питания
• Плюсы и минусы линейного (трансформаторного) блока питания
• Заводские линейные (трансформаторные) блоки питания фотографии и схемы

Введение

Хотя термин "трансформаторный источник (блок) питания" часто встречается, его правильность вызывает сомнения. Дело в том, что трансформатор является ключевым элементом любого блока питания, включая импульсные устройства. Он обеспечивает гальваническую изоляцию между электроэнергией и выходом блока, что делает использование таких устройств безопасным. Кстати, существуют также бестрансформаторные источники питания, которые могут быть импульсными или неимпульсными, как, например, в системах питания простейших и более качественных светодиодных или люминесцентных ламп. Однако такие источники имеют ограниченное применение и могут использоваться только в тех случаях, когда соблюдается надежная изоляция источника питания и подключаемого устройства или полностью исключен контакт пользователя с их токоведущими частями.

Что касается термина "линейный источник (блок) питания", его использование также вызывает вопросы. Странно именовать источник линейным, учитывая наличие в нем нелинейных элементов (как выпрямитель и стабилизатор); даже сглаживающий конденсатор и трансформатор трудно назвать линейными в строгом смысле.

Термин "непрерывный источник (блок) питания" наиболее точно отражает суть таких устройств и, к сожалению, встречается реже других.

Строение линейного блока питания

Трансформаторные блоки питания* представляют собой надежные источники питания, которые широко применялись на протяжении многих лет и основываются по традиционной классической схеме:

Сначала переменное напряжение из электросети преобразуется с помощью трансформатора (1), что позволяет уменьшить его величину. Далее это напряжение проходит через выпрямитель (2), который чаще всего реализован в виде мостовой схемы, чтобы получить выпрямленное напряжение. Для уменьшения пульсаций, возникающих при выпрямлении, применяется электролитический конденсатор (3). Завершающим этапом является стабилизация напряжения с помощью линейного стабилизатора (4), который гарантирует стабильность выходного напряжения для последующего применения.

Существует варианты реализации выпрямителей в виде:

Схема 1 – однополупериодный (1П) выпрямитель. Потеря напряжения на диоде составляет всего 2 вольта, что ниже стандартных 0.7 вольта из-за протекания сквозного тока. Однако, выпрямленное напряжение имеет пульсацию с частотой 50 Гц и выглядит "рваным", то есть содержит промежутки между импульсами. В связи с этим, емкость фильтрующего конденсатора Сф должна быть в 4-6 раз больше, чем в других схемах. Применение силового трансформатора Тр в данном случае эффективно лишь на 50%, так как обрабатывается только одна полуволна. Это приводит к тому, что в магнитопроводе Тр происходит искажение магнитного потока, и сеть воспринимает его не как активную нагрузку, а как индуктивную. Поэтому однополупериодные выпрямители обычно используются только в ситуациях с низкой мощностью, например, в импульсных источниках питания на базе блокинг-генераторов и с демпферным диодом.

Схема 2 – двух-полупериодный выпрямитель со средней точкой (2ПС). Потери на диодах остаются такими же, как и в предыдущем варианте. Пульсация составляет сплошные 100 Гц, что требует минимально возможной емкости Сф. Применение Тр достигает 100%. Однако имеется недостаток – увеличение расхода меди для вторичной обмотки в два раза. Когда выпрямители изготавливались на основе ламп-кенотронов, это не создавало проблем, но в настоящее время это становится критически важным. Поэтому 2ПС находит свое применение в низковольтных выпрямителях, в основном работающих на повышенной частоте и использующих диоды Шоттки в ИБП. Тем не менее, у 2ПС нет строгих ограничений по мощности.

Схема 3 – 2-полупериодный мостовой, 2ПМ. Параметры потерь на диодах здесь вдвое превышают значения для позиций 1 и 2. В остальном, характеристики аналогичны 2ПС, однако количество меди, необходимое для вторичной обмотки, будет почти в два раза меньше. Почти – так как требуется добавить несколько витков, чтобы компенсировать убытки, вызванные наличием дополнительных диодов. Это наиболее распространенная схема для работы с напряжением от 12В.

Схема 4 – Двухполярный выпрямитель по схеме параллельного удвоения Схема использования двухполярного параллельного удвоителя. Обеспечивает повышенную симметрию напряжения без дополнительных действий, так как асимметрия вторичной обмотки отсутствует. Применение трансформатора 100% и пульсаций 100 Гц, но с волновыми искажениями, поэтому необходимы конденсаторы с удвоенной емкостью. Потери на диодах составляют около 2,7 В из-за взаимного обмена токами, как будет подробно изложено ниже, и значительно увеличиваются при мощности свыше 15-20 Вт. Обычно такие устройства разрабатываются как маломощные вспомогательные блоки для независимого питания операционных усилителей и других маломощных, но требовательных к качеству питания аналоговых устройств.

Схема 5 – двухполярный. «Мост» изображён условно, как это принято делать в принципиальных схемах (привыкайте!), и повёрнут на 90 градусов против часовой стрелки. Однако на самом деле он представляет собой пару 2ПС, включённых разнополярно, что наглядно демонстрируется далее на рисунке 6. Расход меди соответствует 2ПС, тогда как потери на диодах аналогичны 2ПМ, а остальные характеристики совмещают свойства обоих. Это устройство в основном предназначено для питания аналоговых приборов, которые требуют симметрии напряжения, таких как Hi-Fi усилители, ЦАП/АЦП и аналогичные устройства.

Плюсы и минусы линейного (трансформаторного) блока питания

Блоки питания на основе трансформаторов обладают рядом положительных качеств: они очень просты в схеме, имеют высокую степень надежности и долговечности, а также хорошо переносят скачки напряжения в сети, при этом не создают электромагнитных помех во время работы. Однако, их главными недостатками являются значительные размеры и вес, что объясняется наличием крупного входного трансформатора, функционирующего на частоте 50 или 60 Гц. Эти устройства также отличаются низким коэффициентом полезного действия из-за значительных потерь энергии на регулирующем элементе, которым является транзистор линейного стабилизатора. Вследствие этого, он требует установки на большой радиатор, что дополнительно увеличивает размеры блока питания. Таким образом, трансформаторные блоки питания являются затратными и неэффективными, особенно при высоких мощностях и низких выходных напряжениях, где требуется стабильность, что нередко необходимо для питания производительных цифровых устройств. Из-за множества существенных недостатков трансформаторные блоки питания постепенно заменяются импульсными.

Заводские линейные (трансформаторные) блоки питания

Ниже представлены фотографии и схемы заводских изделий линейных (трансформаторных) блоков питания.

Блок питания Diamond GSV3000

Блок питания с трансформатором Diamond GSV-3000 при полной нагрузке способен выдавать ток до 30А, а в режиме чередования приема и передачи — до 34А. В отличие от серии GSS, данное устройство предлагает регулируемое выходное напряжение от 1 до 15 вольт, с уровнем пульсаций не превышающим 3 мВ. Для отображения напряжения и тока используются аналоговые приборы с подсветкой. Устройство обеспечено надежной системой автоматической защиты, которая предотвращает неправильное подключение полярности, а также защищает от коротких замыканий и токовых перегрузок.

Охлаждение блока питания осуществляется благодаря встраиваемому вентилятору, который работает практически беззвучно, а его скорость вращения регулируется в зависимости от нагрузки. Для подключения различных потребителей предусмотрены несколько типов клемм и разъем для автомобильного прикуривателя. Ключевое преимущество трансформаторного блока питания GSV-3000 заключается в полном отсутствии помех в диапазонах КВ и УКВ, в отличие от некоторых моделей импульсных блоков питания. Diamond GSV-3000 подключается к сети переменного тока с напряжением 220-230В.

Принципиальная схема линейного (трансформаторного) блока питания Diamond GSV3000 (доступна после регистрации)

Блок питания Yaesu FP-1030A

Yaesu FP-1030A — это высококачественный трансформаторный блок питания с низким уровнем шума, который включает в себя встроенные механизмы защиты от перегрузки и короткого замыкания, а также автоматическую систему активного охлаждения.

Данный блок питания был специально создан для использования с радиоэлектронными устройствами и включает систему встроенных фильтров. Благодаря высокой защите от электромагнитных помех, FP-1030A идеально подходит для работы с коротковолновыми трансиверами.

Блок питания Yaesu FP-1030 предлагает три различных типа выходов, что обеспечивает удобное и быстрое подключение нескольких устройств одновременно, включая нагрузки, которые требуют нестандартный разъем, например, автомобильный прикуриватель.

Принципиальная схема линейного (трансформаторного) блока питания Yaesu FP-1030A, расположение электронных компонентов на плате (доступна после регистрации)