Лабораторный блок питания: импульсный или линейный какой выбрать? устройство, схемы и их сравнение

Основные узлы регулируемого блока питания

Трансформаторный источник питания в большинстве случаев выполняется по следующей структурной схеме.

Узлы трансформаторного БП.

Понижающий трансформатор снижает напряжение сети до необходимого уровня. Полученное переменное напряжение преобразуется в импульсное с помощью выпрямителя. Выбор его схемы зависит от схемы вторичных обмоток трансформатора. Чаще всего применяется мостовая двухполупериодная схема. Реже – однополупериодная, так как она не позволяет полностью использовать мощность трансформатора, да и уровень пульсаций выше. Если вторичная обмотка имеет выведенную среднюю точку, то двухполупериодная схема может быть построена на двух диодах вместо четырех.

Двухполупериодный выпрямитель для трансформатора со средней точкой.

Если трансформатор трехфазный (и имеется трехфазная цепь для питания первичной обмотки), то выпрямитель можно собрать по трехфазной схеме. В этом случае уровень пульсаций наиболее низок, а мощность трансформатора используется наиболее полно.

После выпрямителя устанавливается фильтр, который сглаживает импульсное напряжение до постоянного. Обычно фильтр состоит из оксидного конденсатора, параллельно которому ставится керамический конденсатор малой емкости. Его назначение – компенсировать конструктивную индуктивность оксидного конденсатора, который изготовлен в виде свернутой в рулон полоски фольги. В результате получившаяся паразитная индуктивность такой катушки ухудшает фильтрующие свойства на высоких частотах.

Далее стоит стабилизатор. Он может быть как линейным, так и импульсным. Импульсный сложнее и сводит на нет все преимущества трансформаторного БП в нише выходного тока до 2..3 ампер. Если нужен выходной ток выше этого значения, проще весь источник питания выполнить по импульсной схеме, поэтому обычно здесь используется линейный регулятор.

Выходной фильтр выполняется на базе оксидного конденсатора относительно небольшой емкости.

Обобщенная блок-схема импульсного БП.

Импульсные источники питания строятся по другому принципу. Так как потребляемый ток имеет резко несинусоидальный характер, на входе устанавливается фильтр. На работоспособность блока он не влияет никак, поэтому многие промышленные производители БП класса Эконом его не ставят. Можно не устанавливать его и в простом самодельном источнике, но это приведет к тому, что устройства на микроконтроллерах, питающиеся от той же сети 220 вольт, начнут сбоить или работать непредсказуемо.

Дальше сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается. Инвертор на транзисторных ключах в цепи первичной обмотки трансформатора создает импульсы амплитудой 220 вольт и высокой частотой – до нескольких десятков килогерц, в отличие от 50 герц в сети. За счет этого силовой трансформатор получается компактным и легким. Напряжение вторичной обмотки выпрямляется и фильтруется. За счет высокой частоты преобразования здесь могут быть использованы конденсаторы меньшей емкости, что положительно сказывается на габаритах устройства. Также в фильтрах высокочастотного напряжения становится целесообразным применение дросселей – малогабаритные индуктивности эффективно сглаживают ВЧ пульсации.

Регулирование напряжения и ограничение тока выполняется за счет цепей обратной связи, на которые подается напряжение с выхода источника. Если из-за повышения нагрузки напряжение начало снижаться, то схема управления увеличивает интервал открытого состояния ключей, не снижая частоты (метод широтно-импульсного регулирования). Если напряжение надо уменьшить (в том числе, для ограничения выходного тока), время открытого состояния ключей уменьшается.

Почему лабораторный?

Их так называют, потому что предназначены для эксплуатации в условиях лаборатории. То есть даже на выездной ремонт такие блоки питания брать нежелательно. Не говоря уже об эксплуатации в авто или на улице. Плюс ко всему под словом лабораторный подразумевается некая регулировка параметров и точность установки значений величин тока и напряжения.

К слову, я решил разделить импортные и отечественные источники питания в разные рейтинги по причине разной целевой аудитории. Импортные источники напряжения, применяемые для ремонта в сервисных центрах в основном имеют китайское происхождение и не имеют поверительных документов. Остается надеяться на внутренний контроль производителя. Чаще всего тут встают вопросы удобства эксплуатации и наличие защиты от короткого замыкания.

Отечественные источники тока и напряжения чаще всего имеют сертификаты и периодически поверяются для проведения регулярных измерений в инженерных целях при разработке и эксплуатации оборудования. Это накладывает на стоимость содержания приборов дополнительные расходы. Для таких блоков питания важна погрешность установки значений и надежность работы.

Варианты управления: ручное и программное

Только ручное управление характерно для бюджетных серий, очень критичных к цене, например для эконом-серий ITECH IT6700 и Tektronix PWS2000. Но большинство хороших лабораторных блоков питания средней и высокой ценовой категории поддерживают как ручное, так и программное управление.

Обычно, программное управление используют в двух случаях. Первый — это применение готовой компьютерной программы, которая поставляется вместе с прибором. На большом экране компьютера наглядно видно все настройки и параметры прибора, а это очень удобно. Кроме того, блок питания можно установить в производственном помещении, а управлять удалённо, со своего рабочего места. Это может быть полезно, если производственное помещение шумное, холодное или очень тёплое, содержит опасные для человека условия и т.д. При необходимости, даже можно организовать управление прибором через оптоволокно, что исключит любые электрические связи с оператором.

На этом рисунке показан скриншот главного окна программы IT9000, которая управляет работой лабораторного источника питания переменного напряжения и тока серии IT7300. На одном экране размещаются все органы управления, а также подробная индикация текущего состояния прибора.

Главное окно программы удалённого управления прибором серии IT7300.
Нажмите на фотографию для увеличения изображения.

Второй случай, когда применяется программное управление — это включение лабораторных блоков питания в состав автоматизированных измерительных комплексов. Раньше для этой цели чаще всего использовали интерфейс IEEE-488.2 (его ещё называют GPIB, а в ГОСТ он назывался КОП — Канал Общего Пользования). Но в последние годы в системах промышленной автоматизации активно набирают популярность интерфейсы Ethernet (LAN) и USB, а устаревшие интерфейсы RS-232 и RS-485 используются всё реже. Для того, чтобы управлять прибором, придётся создавать собственные программы. Команды управления подробно описываются в руководствах по программированию, которые есть для каждой серии. Пример руководства по программированию для лабораторных блоков питания серии ITECH IT6500 смотрите . На этой фотографии показана задняя панель современного блока питания ITECH IT6412, который стандартно оснащается тремя популярными интерфейсами: IEEE-488.2, Ethernet (LAN) и USB.

Три распространённых интерфейса программного управления приборами: IEEE-488.2, LAN (Ethernet) и USB.

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ

Универсальный БП — это надежный источник электропитания, обладающий стабильными выходными параметрами и имеющий двойной запас по мощности. На его передней панели в общем случае должны размещаться:

1. Стрелочные и цифровые измерительные приборы (вольтметр, амперметр). При этом:
стрелочный даст возможность оценить динамические изменения контролируемых параметров;
цифровой позволит с высокой точностью контролировать выходные характеристики БП.

2. Органы управления, с помощью которых регулируют выходные параметры в режимах «грубо» и «точно», индикатор режима работы, тумблер или клавишный выключатель питающей электросети.

Теоретически возможно, но практически нецелесообразно разработать и изготовить универсальный блок питания, который подойдет, как говорят, «на все случаи жизни». Такое устройство будет иметь огромные размеры и вес, а его стоимость превысит все допустимые пределы.

Поэтому современные универсальные источники вторичного напряжения классифицируются по мощности, по номинальному значению выходного напряжения и по количеству выходов питающего напряжения. Исходя из этих градаций и осуществляют выбор необходимого прибора.

По номинальному значению выходного напряжения универсальные блоки питания бывают:

• низковольтные до 100 В;
• средневольтные до 1000 В;
• высоковольтные свыше 1000 В.

По выходной мощности они делятся на:

• микромощные, выходная мощность которых не превышает 1 Вт;
• малой мощности от 1 до 10 Вт;
• средней мощности 10…100 Вт;
• повышенной (от 100 до 1000 Вт) и высокой (свыше 1000 Вт) мощности.

При этом универсальные источники электропитания могут быть одно или многоканальными, то есть обеспечивающие подачу одного или нескольких питающих напряжений.

Блок питания с регулировкой.

Одним из самых простых универсальных источников электропитания является регулируемый. Например, для начинающих радиолюбителей таким устройством может быть блок питания с током нагрузки в несколько ампер и позволяющий регулировать выходное напряжение в пределах от 1 до 36 В.

К нему можно подключить не только радиотехническое устройство или электродвигатель, но и автомобильный аккумулятор для зарядки.

В основе электрической схемы такого блока питания лежит мощный силовой трансформатор, а на выходе устанавливается мощный транзистор, установленный на теплоотводящий радиатор. Управляет транзистором специальная микросхема. Имеющиеся низкочастотные пульсации и высокочастотные шумы сглаживаются электролитическими конденсаторами большой емкости.

Количество каналов

Лабораторные блоки питания выпускаются с одним, двумя или тремя выходными каналами. Здесь мы рассмотрим основные моменты их использования, а про гальваническую изоляцию каналов рассказывается .

Большинство лабораторных блоков питания имеют один выходной канал, особенно это касается мощных устройств. Практически все модели с мощностью более 500 Вт имеют один канал. Поэтому часто задают вопрос: можно ли объединять несколько одноканальных приборов? Можно, но есть особенности. Первое, что надо учитывать, когда Вы включаете последовательно несколько импульсных блоков питания: частоты переключения даже однотипных блоков питания будут слегка отличаться. Это будет создавать повышенные пульсации на выходе. Также есть вероятность резонансных эффектов, при которых уровень пульсаций будет периодически резко возрастать.

Второй момент — это соединение «+» и «-» двух приборов для формирования биполярного напряжения для питания транзисторных усилителей, АЦП и подобных устройств. Кроме повышенных пульсаций, будет сложно обеспечить одновременное включение и выключение сразу двух напряжений и их синхронную регулировку. Третий момент — последовательное соединение нескольких высоковольтных источников напряжения может превысить порог пробоя их изоляции. Как результат: возгорание и другие опасные последствия.

Учитывая сказанное, становится понятно, что для схем, в которых предусмотрено несколько питающих напряжений, лучше использовать двухканальные или трёхканальные лабораторные блоки питания, которые специально для этого предназначены. А для генерации высоких напряжений, лучше использовать специальные высоковольтные модели, например модель ITECH IT6726V с напряжением до 1 200 В или модель ITECH IT6018C-2250-20 с напряжением до 2 250 В.

Для примера, на этой фотографии показан типичный двухканальный лабораторный блок питания ITECH IT6412.

Типичный двухканальный лабораторный блок питания ITECH IT6412.

Общее описание

Слово «лабораторные» применяется неспроста, так как их главное предназначение – помогать в лабораториях. Они «живут» там постоянно и даже не транспортируются для проведения ремонта в посторонних помещениях. Специалисты не рекомендуют использовать устройство на открытом воздухе или в автомобиле. Лабораторные также подразумевают корректировку параметров и точную установку показателей.

Продукция российского производства имеет сертификаты соответствия, проходит регулярные поверки, что приводит к удорожанию ее использования. Данные БП могут допустить незначительную погрешность, отличаются надежностью и эффективностью работы, а также длительным сроком эксплуатации.

Мощность

По полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, все лабораторные блоки питания постоянного тока можно разделить на стандартные (до 700 Вт) и большой мощности (700 Вт и более). Такое деление не случайно. Модели стандартной и большой мощности довольно сильно отличаются по функциональным возможностям и области применения.

В моделях стандартной мощности максимальное напряжение обычно находится в диапазоне от 15 В до 150 В, а максимальный ток от 1 А до 25 А. Количество каналов: один, два или три. Есть как линейные, так и импульсные модели. Конструктивное исполнение: стандартный приборный корпус для размещения на лабораторном столе. Масса от 2 до 15 кг. Типичный пример: серия Tektronix PWS4000. В основном, возможности таких приборов нацелены на разработку и ремонт электронной аппаратуры, хотя область их применения значительно шире.

С другой стороны, модели большой мощности всегда одноканальные и импульсные. Модели до 3 кВт выпускаются в приборном или стоечном исполнении (типичный пример: серия ITECH IT6700H), а модели с мощностью 3 кВт и более мощные, монтируются только в промышленную стойку и отличаются значительной массой и габаритами. Например, масса модели на 18 кВт из серии ITECH
IT6000C составляет 40 кг.

Большая мощность выдвигает повышенные требования к конструкции: наличие «умных» вентиляторов охлаждения, полный набор защит (от перегрузки, перегрева, смены полярности и пр.), возможность параллельного включения нескольких блоков для наращивания выходной мощности, поддержка специальных форм выходных сигналов (например, автомобильных стандартов DIN40839 и ISO-16750-2).

Для этой категории приборов является обязательной поддержка удалённого программного управления через один из интерфейсов: Ethernet, IEEE-488.2 (GPIB), USB, RS-232, RS-485 или CAN, так как они часто используются в составе автоматизированных комплексов. Также, некоторые серии (например IT6000C), могут регулировать своё выходное сопротивление в диапазоне от нуля до нескольких Ом, что очень полезно при имитации работы аккумуляторов и солнечных панелей. Кроме того, некоторые мощные модели могут содержать встроенную электронную нагрузку, что позволяет им не только генерировать ток, но и потреблять его.

Лабораторные блоки питания большой мощности используются в автомобильной промышленности, в альтернативной энергетике, при гальванической обработке металлов и во многих других отраслях, где необходимо формировать напряжения до 2 250 Вольт и токи до 2 040 Ампер.

Характеристики всех лабораторных блоков питания, отсортированных по мере увеличения максимальной мощности, смотрите . А на этой фотографии Вы можете увидеть мощные выходные клеммы шестикиловаттной модели IT6533D, которая состоит из двух модулей по 3 кВт каждый, включенных параллельно. Равномерное распределение выходной мощности между модулями обеспечивается с помощью отдельной шины синхронизации System BUS (серый кабель слева).

Часть задней панели лабораторного блока питания ITECH IT6533D с максимальной мощностью 6 кВт.

Как собрать лабораторный блок из китайских модулей

На торговых площадках в интернете можно приобрести готовые китайские модули, на основе которых можно построить неплохой лабораторный источник питания.

ЛБП строится по структуре линейного источника, но составляющие имеют совершенно другой принцип работы. Так, вместо обмоточного трансформатора можно применить плату WX-DC2416 36V-5, которая при питании от сети 220 вольт переменного тока на выходе выдает 36 вольт постоянного при токе до 5 А.

Плата импульсного преобразователя 220VAC/26VDC.

В качестве стабилизатора можно применить плату на базе микросхемы LM2596. В продаже имеется несколько вариантов таких плат, удобнее всего использовать модуль с готовым техническим решением по регулировке максимального тока. Отличить такой модуль можно по наличию трех (а не одного) подстроечных резисторов на плате.

Плата на базе LM2596 с регулировкой максимального тока, расположение выводов и потенциометров.

При подаче на вход 35 вольт путем регулировки на выходе можно получить 1,5..30 вольт постоянного напряжения. Производитель декларирует наибольший ток в 3 ампера, но на практике уже при токах, превышающих 1 А микросхема начинает греться. Для отдачи максимальной мощности нужен дополнительный радиатор достаточной площади. Есть сведения, что микросхема комфортно работает и при нагрузке до 4 А при условии организации принудительного обдува теплоотвода.

Для оперативной регулировки надо выпаять два крайних подстроечных резистора и заменить их потенциометрами, которые надо вывести на переднюю панель блока питания. Чтобы получился полноценный блок питания надо добавить еще прибор для измерения тока и напряжения. Его также можно приобрести через интернет. Удобнее применять измеритель в едином блоке, чем два прибора отдельно.

Цифровой блок вольтметр-амперметр.

Осталось только добавить тумблер питания, клеммник для подключения потребителя, связать модули в единую систему и поместить в корпус. По габаритам неплохо подойдет корпус от неисправного компьютерного блока питания.

Соединение китайских модулей в БП.

Некоторые пользователи жалуются, что выходное напряжение грязновато. Это не удивительно, ведь блок питания импульсный. Если это не устраивает владельца БП, можно попробовать исправить проблему установкой дополнительных конденсаторов (показаны на схеме). Емкость подбирается экспериментально, но не менее 1000 мкФ.

Для наглядности рекомендуем к просмотру серию тематических видеороликов.

Лабораторный источник питания при самостоятельном изготовлении обходится совсем недорого. Многие комплектующие могут быть извлечены из куч радиохлама, имеющегося у каждого любителя электронных самоделок. Но служить ЛБП будет долго и принесет большую пользу.

Как сделать лабораторный блок питания своими руками — печатная плата и пошаговая сборка

Теперь рассмотрим пошагово сборку лабораторного блока питания своими руками. Трансформатор у нас есть уже готовый от усилителя. Напряжение на его выходах составило порядка 22 В. Подготавливаем корпус для БП.

Видеоинструкция по сборке лабораторного блока питания своими руками:

Программируемые и управляемые модули для ЛБП

Программируемый модуль RD6006 Управляемый модуль DPX6005S Мощный преобразователь DPS5015

Простой способ собрать для себя лабораторный источник питания — это взять управляемый модуль-преобразователь со стабилизацией питания. Одни из самых мощных на Алиэкспресс — это модули RD DPS5015 и DPS5020, с выходными токами 15 и 20 Ампер соответственно. Для удаленного управления выбирайте версии «С» — communication для работы через USB/Bluetooth/Wi-Fi. Модули RD DPH5005 имеют встроенный Buck Boost конвертер для повышения напряжения (можно питать 12/24 вольта и получить на выходе, 30-40-50В. Один из самых продвинутых программируемых преобразователей питания — это модель RD 6006 (подробный обзор). Предыдущий список модулей с интересными вариантами.

Стационарные источники питания все-в-одном

Блок питания KORAD KA3005D Блок питания NPS 1601 Блок питания Wanptek 3010/6005

Для стационарной работы я бы рекомендовал иметь дома хотя бы один мощный источник типа KORAD. Цифры в названии подобных ЛБП обычно показывают максимальные режимы питания: 30/60 Вольт и 5/10 Ампер. То есть KORAD KA3005 — это 30В/5А, модели 6005 стабилизирует большее выходное напряжение, а типа 3010 — больший ток (до 10 А). Плюс подобных источников — встроенный сетевой преобразователь на 220В.

Модули сетевого питания для сборки ЛБП

Импульсный источник питания 5/12/24/36/48/60V

Для питания управляемых модулей нужен сетевой преобразователь. Я бы не рекомендовал брать дешевые «народные» платы питания, а предложил бы посмотреть в сторону корпусных БП. В таких уже продумано охлаждение и монтаж, присутствует некоторая регулировка выхода. На выбор предлагаются источники с выходным напряжением на 5V, 12V, 24V, 36V, 48V, 60V и мощностью  до 400 Вт. Конечно, можно использовать и компьютерные источники питания АТХ (с выходом 12В и преобразователем типа DPH5005, или с переделкой для повышения выходного напряжения), и другие от старой аппаратуры.

Таким образом, можно на базе готовых модулей и источников тока создать свой удобный и точный блок лабораторного питания. За основу можно взять как старую технику, так и полностью готовые комплектующие с Алиэкспресс и радиомагазинов. Цены варьируются от $5 за простой преобразователь с экраном и стабилизацией, и до $100 за мощное устройство. Из полезных функций — наличие Buck Boost конвертера, который помогает повышать напряжение при недостатке входного, функция заряда аккумуляторов (с наличием встроенной защиты и счетчиков емкости), функция стабилизации тока, функции удаленного управления.

RD6006 лабораторный источник питания точный блок питания мощный блок питания блок питания с алиэкспресс korad gophert dpx6005 dps5020 управляемый источник питания блок питания для гальваники источник питания блок питания блок питания со стабилизацией Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)

ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Лабораторный блок питания ни что иное как высококачественный универсальный источник питания с нормированными и термостабильными характеристиками. Эти устройства имеются на любом предприятии, которое занимается разработкой, изготовлением или ремонтом и/или ремонтом радиоэлектронной аппаратуры.

Используют их во время проверки и/или калибровки различных приборов. Кроме того они необходимы в тех случаях, когда нужно с высокой точностью подать питающее напряжение и ток на радиотехническое устройство.

Как правило, лабораторные блоки питания оснащаются всевозможными устройствами защиты (перегрузка, защита от короткого замыкания и пр.) и органами регулировки выходных параметров (напряжение и ток).

Лабораторные блоки оснащают также специальными входами для подачи модулирующих сигналов, что позволяет пользователю формировать выходное напряжение и ток произвольной формы.

Серийно выпускаемые лабораторные источники питания могут быть как линейными, так и импульсными.

Линейные.

Линейные лабораторные БП строятся на базе больших низкочастотных трансформаторов, которые понижают сетевое напряжение ~220 В частотой 50 Гц до определенного значения. Частота переменного тока при этом остается без изменений. Затем синусоидальное напряжение выпрямляется, сглаживается емкостными фильтрами и доводится до заданного значения линейным полупроводниковым стабилизатором.

Приборы, работающие по такому принципу обеспечивают требуемое значение выходного напряжения с высокой точностью. Оно отличается стабильностью и отсутствием пульсаций. Однако они имеют ряд недостатков:

• большие габаритные размеры и вес, который может быть больше 20 кг. Из-за этого мощность на нагрузке у таких БП редко превышает 200 Вт.;
• низкий КПД (не более 60%), что обусловлено принципом работы линейного стабилизатора, где все избыточное напряжение преобразуется в тепло;
• наличие высокочастотных помех, проникающих из сети ~220 в, 50 Гц., для устранения которых необходим сетевой фильтр;
• относительно небольшое время наработки на отказ, вызванное старением электролитических конденсаторов.

Импульсные.

В основу работы импульсных лабораторных блоков питания положен принцип заряда сглаживающих конденсаторов импульсным током. Он образуется в момент подключения/отключения индуктивного элемента. Переключение происходит под действием специально оптимизированных транзисторов, а выходное напряжение регулируется путем изменения глубины широтно импульсной модуляции (ШИМ).

Основные преимущества импульсных лабораторных источников обеспечиваются за счет:

• плавного изменения глубины ШИМ, что в свою очередь, позволяет закачивать в сглаживающие конденсаторы такое количество энергии, которое соизмеримо с энергопотреблением нагрузки БП. При этом КПД блока питания может достигать 90 и более процентов;
• высокочастотной составляющей, которая дает возможность использования сглаживающих конденсаторов значительно небольшой емкости.

За счет этого габаритные размеры корпуса невелики. Кроме того, за счет более высокого КПД значительно уменьшается выделение тепла и улучшается температурный режим работы источника питания.

Существенным недостатком импульсных лабораторных блоков, несколько ограничивающих их применение являются:

• высокочастотные пульсации на выходе, которые достаточно тяжело отфильтровать;
• радиочастотные наводки и их гармоники, вызванные периодическими токовыми импульсами.

При работе с радиочастотными схемами импульсные блоки питания необходимо располагать на максимальном расстоянии от них или использовать трансформаторные схемотехнические решения.

Основным техническим параметром лабораторных источников электро энергии является мощность. Здесь существует такое подразделение:

• стандартные, мощностью до 700 Вт. Их максимальный вес не превышает 15 кг.;
• большой мощности.

Стандартные исполнения могут быть как трансформаторными, так и импульсными. Предназначены они для работы с напряжениями в диапазоне от 15 до 150 В. При этом максимальный ток ограничивается величиной порядка 25 А. Как правило, они имеют от одного до трех каналов, из которых два являются регулируемыми.

2012-2021 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов