Сравнение импульсных и линейных источников питания

Введение

Благодаря простоте и надежности так называемые линейные источники питания (ЛИП) повсеместно применялись в течении десятилетий (рис. 1). В их состав входят всего лишь несколько элементов: понижающий трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр на основе конденсатора и полупроводникового стабилизатора (стабилитрон с мощным транзистором или аналогичный по функции одиночный силовой полупроводниковый элемент) [1].

Рисунок 1. а) Структура; б) внешний вид линейных источников питания

В 60-х годах XX века были разработаны первые импульсные источники питания (ИИП), которые интенсивно развивались в течение последних десятков лет и сегодня почти полностью вытеснили линейные источники питания практически во всех областях техники. Если ЛИП были весьма простыми и даже примитивными устройствами, то, в отличие от них, ИИП являются значительно более сложными устройствами, работающими на высокой частоте и состоящими из сотен активных и пассивных элементов (рис. 2) [1]. В чем же основные принципиальные отличия между этими двумя типами источников?

Рисунок 2. а) Структура; б) внешний вид импульсных источников питания

Надежность

Надежность источника питания в первую очередь зависит от используемой в ней элементной базы, чем она дороже и качественнее, тем большая надежность будет у нашего источника. Но не стоит забывать, что в импульсных источниках питания интеграция выше, что позволяет реализовать большее количество встроенной защиты, которое не всегда возможно реализовать в линейных источниках. Поэтому импульсные источники питания в некоторых случаях надежнее линейных. Но также не стоит забывать, что у линейных источников питания (ЛИП) есть способность нагреваться, что ведет к нагреву элементной базы.

Помехи

Что касается помех, то такая проблема, действительно, существует, потому что на выходе импульсного источника питания обязательно присутствует высокочастотный шум. Который заложен в принципе его работы за счет формирования мощных импульсов, возникновения выбросов напряжения, а также затухающих свободных колебаний в обмотках импульсного трансформатора. Поэтому не стоит забывать, что при использовании импульсного источника питания в устройствах с чувствительным радиоприемником, нужно тщательно продумывать конструкцию, чтобы источник питания не мешал работе нашего устройства [2].

Мерами по устранению лишних помех за счет конструкции могут быть:

- использование демпфирующих цепей, экранирования и заземления;

- использование компонентов электромагнитной совместимости;

- минимизация емкости и взаимной индуктивности между сильноточными импульсными цепями и корпусом.

Поэтому, если тщательно продумать конструкцию импульсного источника питания и применить достаточное количество мер по устранению помех, наше питание будет иметь приемлемые помехи для работы в устройствах с чувствительным приемником.

Но бывают случаи, когда в устройствах с очень чувствительным приемником нельзя использовать импульсный источник питания из-за помех, а линейный невозможно использовать из-за необходимости повышения входного напряжения, в таких случаях используют эти источники совместно. Вначале, импульсный источник повышает входное напряжение до параметров необходимых для использования линейного источника питания, учитывая падение напряжения, а после этого с помощью линейного источника получают малошумящее питание, необходимое для корректной работы устройства.

Коэффициент полезного действия (КПД)

КПД ИИП намного выше ЛИП, за счет того, что в ИИП вместо сетевого трансформатора и стабилизатора, которые потребляют много энергии, используются соответственно высокочастотный трансформатор и ключевой элемент. КПД ИИП приблизительно составляет 90-98%, а ЛИП 50-60%. То есть ЛИП примерно половину энергии тратит на нагрев окружающей среды, и еще не стоит забывать про необходимость использования охлаждения для ЛИП, которое необходимо, чтобы не было перегрева устройства, а это дополнительные материальные затраты [3].

Габариты и вес

По габаритам и весу ИИП опять же выигрывает у ЛИП в некоторых случаях в 5-7 раз. Приведем пример. Для ЛИП мощностью 1000 Вт необходимо использовать трансформатор весом под 50 кг, также понадобятся массивные радиаторы с вентиляторами для полупроводниковых компонентов, и такой агрегат по объему займет около половины кубометра. Если еще потребуется обеспечить возможность работы от обоих напряжений от 110 и 220 В, то для ЛИП потребуется использовать ручное или сложное электронное переключение между ними. В то же время, импульсный источник питания, работающий от 110 и 220 В без переключения, имеет вес около 20 кг и занимает четверть объема ЛИП. К тому же не стоит забывать, что ИИП в несколько раз дешевле ЛИП [3].

Стоимость

В первую очередь стоимость зависит от используемой элементной базы в источниках питания. За счет того, что элементная база ИИП приобрела массовый характер их стоимость меньше чем у ЛИП. При этом есть определенная закономерность: чем большее требуется выходное напряжение для источника питания, тем дешевле ИИП относительно ЛИП.

Требования к входному напряжению

По причине того, что в отечественных электросетях стандарт электроэнергии имеет размытый характер, то лучше всего использовать ИИП, так как он имеет широкий диапазон входного напряжения, что нельзя сказать об ЛИП, то есть при изменении входного напряжения ИИП продолжит функционировать в отличии от ЛИП, что является большим плюсом [3].

Так же нужно отметить, что ЛИП не имеют способности повышать входное напряжение, что является очень большим минусом при их применении, но для маломощных схем, в которых нужно понизить входное напряжении, в некоторых случаях ЛИП подходят идеально.

Выводы

После того как рассмотрели основные недостатки и положительные стороны обоих ИП приведем краткие выводы. Сложность конструкции у ИИП сложнее, чем у ЛИП, но все это имеет относительный характер. Надежность ИИП выше ЛИП, за счет большей интеграции и наличия у ЛИП способности нагреваться. Помехи, создаваемые ИИП, на 2-3 порядка выше чем у ЛИП, но если тщательно продумать конструкцию, то можно забыть о помехах, которые может создавать ИИП. КПД ИИП заметно выигрывает у ЛИП, почти в два раза, что является огромным плюсом, потому что нужно затрачивать меньше энергии. Габариты ЛИП желают лучшего, потому что они, в основном, превышают размеры аналогичных ИИП в 5 раз, а чем больше габариты, тем, соответственно, больше вес. Стоимость ИИП прямо пропорциональна выходному напряжению, чем больше требуемое выходное напряжение, тем дешевле ИИП относительно аналогичного ЛИП. Требования к входному напряжению у ЛИП строже, потому что они не имеют широкий диапазон входного напряжения, что так же является минусом