Как выбрать лабораторный блок питания

Вступление

       На рынке лабораторных блоков питания предлагается множество серий от различных производителей. Одни модели привлекают низкой ценой, другие внушительным видом передней панели, третьи разнообразием функций. Поэтому правильный выбор такого распространённого прибора становится непростой задачей. При этом тщательное сравнение характеристик и возможностей моделей различных производителей может не дать ответа на главный вопрос: какой лабораторный блок питания выбрать?

       В этой статье рассказано о простых критериях выбора оптимального лабораторного блока питания, их разновидностях, отличиях и преимуществах.

Разновидности лабораторных блоков питания

       Для начала, давайте разберёмся с существующими названиями. Чем отличается лабораторный блок питания от просто блока питания? Или в чём отличие блока питания от источника питания? Вот простые определения:

1. Лабораторным блоком питания называют прибор, который предназначен для формирования регулируемого напряжения или тока по одному или нескольким каналам. Лабораторный блок питания содержит дисплей, элементы управления, защиту от неправильного использования, а также полезные дополнительные функции. Весь материал на этой странице посвящён именно таким приборам.
2. Лабораторный источник питания - это то же самое, что и лабораторный блок питания.
3. Блоком питания называют электронное устройство, которое предназначено для формирования заранее заданного напряжения по одному или нескольким каналам. Блок питания, как правило, не имеет дисплея и кнопок управления. Типичный пример - это компьютерный блок питания на несколько сотен ватт.
4. Источники питания бывают двух типов: первичные источники питания и вторичные источники питания.

Первичные источники электропитания преобразуют неэлектрические виды энергии в электрическую. Примеры первичных источников: электрическая батарейка, солнечная батарея, ветрогенератор и другие.

Вторичные источники электропитания преобразуют один вид электрической энергии в другой для обеспечения необходимых параметров напряжения, тока, частоты, пульсаций и т.д. Примеры вторичных источников питания: трансформатор, AC/DC преобразователь (например, компьютерный блок питания), DC/DC преобразователь, стабилизатор напряжения и т.д. Кстати, лабораторный блок питания - это одна из разновидностей вторичного источника электропитания.

       Теперь подробно обсудим разновидности и главные характеристики лабораторных блоков питания:
1. По принципу работы: линейные или импульсные.
2. Диапазон напряжения и тока: фиксированный или с автоматическим ограничением мощности.
3. Количество каналов: одноканальные или многоканальные.
4. По мощности: стандартные или большой мощности.
5. Наличие защиты: от перегрузки по напряжению, по току, от перегрева и другие.
6. Форма выходного сигнала: постоянное напряжение и ток или переменное напряжение и ток.

       Рассмотрим каждую из этих характеристик подробнее, поскольку все они важны для правильного и обоснованного выбора лабораторного блока питания.

1. Принцип работы: линейный и импульсный

       Линейный блок питания (его ещё называют трансформаторный блок питания) строится на базе большого низкочастотного трансформатора, который понижает входное напряжение 220 В, 50 Гц до нескольких десятков вольт с частотой также 50 Гц. После этого, пониженное синусоидальное напряжение выпрямляется с помощью диодного моста, сглаживается группой конденсаторов и понижается линейным транзисторным стабилизатором до заданного уровня. Достоинство такого принципа работы в отсутствии высокочастотных переключающих элементов. Выходное напряжение линейного источника питания точное, стабильное и не содержит высокочастотных пульсаций. 

       Однако, у линейного блока питания есть немало недостатков. Основной из них - большие потери энергии на транзисторном стабилизаторе, который преобразует в тепло всю избыточную мощность, поступающую на него со схемы выпрямления. Например, если выходное напряжение блока питания установлено равным 5 В, а выпрямленное напряжение вторичной обмотки равно 25 В, то на транзисторном стабилизаторе будет рассеиваться в 4 раза больше мощности, чем будет поступать в нагрузку. То есть, у линейного блока питания низкий коэффициент полезного действия (КПД), обычно менее 60%. Как следствие низкого КПД, получаем небольшую полезную мощность и повышенную массу. Для улучшения ситуации, в реальных приборах используется несколько вторичных обмоток трансформатора, но полностью проблему низкого КПД это всё равно не решает.

       Поэтому серийно выпускаемые линейные лабораторные блоки питания обеспечивают мощность на нагрузке до 200 Вт при массе прибора от 5 до 10 кг. Есть ещё две проблемы, про которые редко говорят. Хотя сам линейный блок питания не создаёт высокочастотных помех, они всё равно легко могут проникать из сети питания 220 В через емкостную связь первичной и вторичной обмоток главного трансформатора. В дорогих моделях применяют конструктивные решения для борьбы с этим эффектом, например ферритовые фильтры, но помехи из сети питания всё равно могут появиться на выходе прибора и про эту особенность надо помнить. Если Вам необходимо максимально чистое постоянное напряжение, то есть смысл использовать дополнительный качественный сетевой фильтр перед лабораторным блоком питания. Вторая проблема - это деградация (высыхание) группы сглаживающих конденсаторов, особенно в дешёвых моделях. При значительном снижении ёмкости группы сглаживающих конденсаторов, на выходе блока питания появятся провалы напряжения с частотой 100 Гц.

       Импульсный блок питания основан на принципе заряда сглаживающих конденсаторов импульсами тока. Импульсы тока формируются с помощью подключения и отключения индуктивного элемента, в качестве которого может выступать обмотка трансформатора или отдельный индуктивный компонент. Переключение выполняется с помощью транзисторов, специально оптимизированных для этой цели. Частота формируемых таким образом импульсов тока обычно находится в пределах от десятков кГц до сотен кГц. Регулировка выходного напряжения чаще всего выполняется изменением скважности широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

       Существует много вариантов реализации этого принципа, но все они обеспечивают два главных преимущества. Первое - это высокий КПД, обычно более 80%, иногда более 90%. Высокий КПД достигается за счёт того, что глубину ШИМ можно очень плавно изменять, а значит в сглаживающие конденсаторы можно закачивать ровно столько энергии, сколько потребляет нагрузка блока питания. Второе преимущество - небольшие размеры и маленькая масса. Высокая частота, на которой работает импульсный блок питания, позволяет использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости (если сравнивать с линейным блоком питания на 50 Гц). Остальные элементы также значительно компактнее и легче, а высокий КПД снижает выделяемое внутри блока питания тепло, что также уменьшает размеры конструкции.

       Главный недостаток импульсных блоков питания - это высокочастотные пульсации выходного напряжения. Конечно, их сглаживают, фильтруют, но какой-то уровень пульсаций всё равно остаётся. Причём, чем больше нагружен блок питания, тем больше амплитуда пульсаций. В хороших, качественных импульсных блоках питания удаётся снизить пульсации до уровня 10 - 20 мВ. Второй, не такой очевидный, недостаток - это радиочастотные наводки и их гармоники, источником которых служат периодические импульсы тока, формируемые внутри блока питания. Такие наводки достаточно трудно экранировать. Если Вы работаете с радиочастотными схемами, то используйте линейный блок питания или качественный импульсный, расположенный подальше от радиоустройства, с которым Вы работаете. 

2. Диапазон значений напряжения и тока

       У современных лабораторных блоков питания бывает два типа диапазонов выходных напряжений и токов: фиксированный и с автоматическим ограничением выходной мощности.

       Фиксированный диапазон встречается у большинства недорогих лабораторных блоков питания. Такие блоки питания могут выдать любую комбинацию напряжения и тока в пределах своих максимальных значений. Например, одноканальный лабораторный блок питания на 40 В и 15 А может поддерживать на нагрузке напряжение 40 Вольт даже при токе потребления 15 Ампер. При этом, потребляемая нагрузкой мощность составит: 40 В х 15 А = 600 Вт. Всё просто и понятно, но с таким прибором Вы не сможете установить напряжение больше 40 В и ток больше 15 А.

      Автоматическое ограничение выходной мощности существенно расширяет диапазон лабораторного блока питания по напряжению и току. Если сравнивать с лабораторным блоком питания на 600 Вт с фиксированным диапазоном, то очевидно, что лабораторный блок питания с автоматическим ограничением выходной мощности значительно универсальнее и может заменить несколько более простых приборов.

       Поскольку размеры, масса и цена лабораторного блока питания в основном зависят не от напряжения и тока, а от максимальной мощности, то есть смысл всегда выбирать модель с автоматическим ограничением выходной мощности. Это обеспечит универсальность решения за те же деньги. 

3. Количество каналов

       Лабораторные блоки питания выпускаются с одним, двумя или тремя выходными каналами. 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.

4. Мощность блока питания

       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. 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. 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).

5. Защита от неправильного использования

       Когда выбирают лабораторный блок питания, в первую очередь обращают внимание на цену и максимальное значение напряжения и тока. Но наличие качественной защиты - это тоже очень важно, так как позволяет защитить не только блок питания, но и подключённое к нему оборудование. В этом разделе мы расскажем о типах защит, которыми оснащаются серийные лабораторные блоки питания и рассмотрим несколько сопутствующих моментов.

       Защита от перегрузки по току (сокращённо OCP - Over Current Protection) должна мгновенно срабатывать при превышении выходным током заданного значения, что может произойти, например, при коротком замыкании выходных клемм блока питания. Такой тип защиты есть в большинстве хороших моделей. Но важно не только само наличие защиты, также важна скорость её срабатывания. В зависимости от реализации, защита от перегрузки по току может: полностью отключить выход блока питания от нагрузки, ограничить выходной ток заданным пороговым уровнем или перейти в режим стабилизации выходного тока (CC - Constant Current), сохранив то значение тока, которое было до перегрузки.

       Защита от перегрузки по напряжению (сокращённо OVP - Over Voltage Protection) срабатывает при превышении уровня напряжения на выходных клеммах блока питания заданного значения. Такая ситуация может возникать при работе на нагрузку с повышенным сопротивлением в режиме стабилизации тока. Или при попадании на клеммы лабораторного блока питания внешнего напряжения. Ещё одно применение этого типа защиты - это ограничение выходного напряжения блока питания на безопасном для подключенного оборудования уровне. Например, при питании цифровой схемы с напряжением 5 Вольт, есть смысл в настройках блока питания установить 5,5 Вольт в качестве порога срабатывания защиты.

       Защита от перегрузки по мощности (сокращённо OPP - Over Power Protection) есть во всех моделях с автоматическим ограничением выходной мощности. Задача этой защиты - ограничить максимальную мощность, которую лабораторный блок питания отдаёт в нагрузку, для того, чтобы силовые компоненты блока питания работали в штатном режиме и не перегревались. Если при работе в режиме стабилизации выходного напряжения (CV - Constant Voltage) будет превышен ток потребления, то прибор автоматически перейдёт в режим стабилизации выходного тока (CC - Constant Current) и начнёт снижать напряжение на нагрузке.

       Защита от перегрева (сокращённо OTP - Over Temperature Protection) срабатывает при повышенном нагреве силовых компонентов блока питания, находящихся внутри корпуса. В простых моделях используется один датчик температуры, который просто впаян в плату управления. Он отслеживает среднюю температуру внутри корпуса и не способен быстро реагировать на опасный нагрев силовых элементов. В хороших моделях используется несколько датчиков, расположенных прямо в точках максимального выделения тепла. Такая реализация обеспечивает гарантированную защиту прибора, даже при быстром локальном перегреве. Обычно в хороших моделях защита от перегрева работает совместно с вентиляторами охлаждения с изменяемой частотой вращения. Чем больше тепла выделяется внутри прибора, тем выше скорость вращения вентиляторов. Если внутренняя температура всё-таки приблизится к критической, то будет выдано предупреждение (звуковое и надпись на экране), а если произойдёт превышение, то лабораторный блок питания автоматически выключится.

       Также в лабораторных блоках питания встречаются такие виды защиты: от смены полярности (реверса), от пониженного напряжения (UVP - Under Voltage Protection) и от аварийного отключения.

6. Форма выходного сигнала

       Главная функция лабораторного блока питания в режиме стабилизации напряжения (CV) - это формирование заданного постоянного напряжения и его точное поддержание, даже при изменяющемся токе нагрузки. Аналогично, в режиме стабилизации тока (CC) блок питания должен подавать в нагрузку заданный постоянный ток и обеспечивать его точное поддержание даже при изменяющемся сопротивлении нагрузки.

       Но в современных лабораторных и производственных условиях часто появляется необходимость в изменении выходного напряжения по определённому закону. Поэтому, некоторые модели хороших лабораторных блоков питания обеспечивают такую возможность. Этот режим называется: "Режим изменения выходного напряжения по списку заданных значений". С его помощью можно изменять выходное напряжение по заданной программе, которая состоит из последовательности шагов. Для каждого шага задаётся уровень напряжения и его длительность. Этот режим позволяет испытывать оборудование, подавая на него неидеальные сигналы, максимально похожие на те, которые существуют в реальности: скачки и пульсации напряжения питания, кратковременные исчезновения напряжения, плавное нарастание и спад и т.д.