Термин «блок питания» на слуху, пожалуй, у всех. Считается очевидным, что он нужен для работы бытовой и промышленной аппаратуры. Но что скрывается в «черном ящике» (зачастую, в буквальном смысле), мало кто из пользователей задумывался хоть раз. А иногда такие знания бывают полезными.
Что такое блок питания и для чего нужен
Немногие потребители напрямую питается переменным напряжением 220 вольт. Большинству из них требуется постоянное напряжение определенного уровня – обычно, от 3,3 до 24 вольт. Блок питания — это преобразователь сетевого напряжения (будем называть его первичным) в постоянное напряжение (вторичное). В некоторых случаях в качестве первичного источника питания может выступать, например, бортовая сеть автомобиля или мотоцикла. В ней чаще всего используется напряжение 12 вольт (бывает и 6, и 24 вольта). Для некоторых потребителей этого достаточно. Некоторым нужно большее или меньшее напряжение. В этом случае используют повышающий или понижающий DC-DC преобразователь, который также представляет собой блок питания.
Еще под этим термином скрываются приборы, которые в быту называют зарядными устройствами. Их применяют большей частью для зарядки аккумуляторов мобильных устройств (или автомобилей), но они также являются блоками питания.
Виды БП их ключевые отличия плюсы и минусы
Разделить блоки питания на категории можно по разным критериям. Например, встроенные и переносные. Встроенные используются для питания только того устройства, частью которого они являются. Пример – БП телевизоров, компьютеров и т.п.
Техника с встроенными блоками часто имеет выводы для питания внешних устройств. Для этой цели служат, например USB-порты ПК (помимо функции передачи данных).
К переносным относятся источники питающих напряжений ноутбуков, мобильных телефонов, планшетов и т.п. От них можно осуществить энергоснабжение и других устройств – аналогичных или имеющие подходящие параметры по электропитанию.
Также можно разделить БП по первичному источнику (сетевые или автомобильные), по возможности регулирования, по наличию стабилизации и по другим критериям. Но все же главным различием, во многом определяющим потребительские качества и область применения источников, является их схемотехника.
Трансформаторные источники
Это самый традиционный источник вторичных напряжений, его схема отработана десятилетиями:
- понижающий трансформатор;
- выпрямитель;
- сглаживающий фильтр;
- стабилизатор — регулируемый или с фиксированным выходом (может отсутствовать);
- выходной сглаживающий фильтр (если есть стабилизатор).
Схема такого источника несложна, в нем содержится немного элементов, дорогостоящие компоненты отсутствуют. Проблема лишь в массогабаритных показателях. С ростом выходной мощности потребуется более мощный трансформатор, который намотан на сердечнике из трансформаторного железа. Также с увеличением выходного тока появляются проблемы отведения тепла от диодов выпрямителя, решаемая применением громоздких металлических радиаторов. Для сглаживания пульсаций на мощной нагрузке требуются оксидные конденсаторы большей емкости, а это также рост габаритов и веса. Если для поддержания заданного напряжения применяется линейный стабилизатор, то на его регулируемом элементе падает большая мощность.
Все это привело к тому, что в настоящее время область применения таких БП значительно сузилась. Они применяются лишь в качестве маломощных источников, а также там, где предъявляются особые требования к чистоте выходного напряжения. Реально увидеть такой источник сейчас можно, пожалуй, только в старых телевизорах и звукотехнике производства прошлых лет.
Бестрансформаторные
Существует техническое решение, позволяющее несколько снизить вес традиционного источника. Вместо трансформатора применяется балластный резистор или емкость. На нем падает излишек напряжения.
У устроенного по подобному принципу БП есть существенные недостатки:
- на балласте впустую рассеивается большая мощность;
- выходное напряжение в отсутствие стабилизатора имеет ярко выраженную зависимость от нагрузки.
А самое главное – в такой схеме отсутствует гальваническая развязка от первичного источника, и все элементы блока находятся под полным сетевым напряжением относительно земли. Поэтому такие БП используются крайне редко, в качестве совсем уж дешевых зарядных устройств.
Импульсные
Самые распространенные источники питания для бытовой и промышленной техники – импульсные. Их выходная часть содержит все те же элементы, что и традиционные устройства:
- трансформатор, преобразующий первичное напряжение во вторичное;
- выпрямитель;
- сглаживающий фильтр.
Принципиальное отличие от рассмотренной выше схемы состоит в том, что первичная обмотка трансформатора питается от напряжения относительно высокой частоты, а это ведет:
- к уменьшению массы и габаритов трансформатора (его можно выполнить на ферритовом сердечнике);
- снижению потребной емкости выходных конденсаторов.
Чтобы из сетевого напряжения частотой 50 Гц получить импульсы высокой частоты, используется специальный преобразователь – инвертор. Сначала сетевое напряжение выпрямляется до постоянного, а потом ключами инвертора нарезается на импульсы. Силовые элементы (обычно, транзисторы) работают в ключевом режиме, поэтому на них рассеивается относительно небольшая мощность.
Инвертор по отношению к трансформатору является первичным источником, поэтому возникает еще одно преимущество – стабилизировать напряжение на выходе можно воздействием на инвертор с помощью обратной связи. Цепи стабилизации получаются компактными и почти не потребляющими мощности. Минусы таких источников – сложная схемотехника и большое количество высокочастотных составляющих в выходном напряжении. Первый недостаток при токах уже выше 2..3 А нивелируется легкостью и компактностью. Второй в большинстве случаев несущественен.
Более подробно читайте здесь: Описание работы и устройство импульсного блока питания
Типы в зависимости от назначения
Большинство пользователей мало интересуется, по какой схеме собран их источник питания. И такой подход оправдан (за исключением, если БП бестрансформаторный – в этом случае полезно знать, что он представляет собой источник повышенной опасности). В быту источники делятся по другим критериям.
Мощные
Деление блоков питания на виды по мощности достаточно условно. Граница между мощными и маломощными источниками нормативной документацией не устанавливается. Условную границу по току можно провести на уровне 3..5 ампер, по мощности – 15-25 ватт. Все, что выше этой черты считается мощными блоками питания. Разграничение примерно проходит по БП для ноутбуков.
В быту к этому типу источников питающего напряжения относят, в том числе, сетевые преобразователи для светодиодных лент. Имея выходной уровень, например, 12 вольт, они могут обеспечивать ток и 10, и 20 ампер – в зависимости от исполнения (мощные БП часто выполняются с вентилятором принудительного охлаждения). Это составляет мощность 120 или 240 ватт.
Маломощные
К этому типу БП относятся зарядные устройства для мобильных гаджетов. Чаще всего они выдают ток до 2 ампер (при 5 вольтах мощность составит до 10 ватт). Этого достаточно для зарядки аккумуляторов в обычном режиме. Для реализации режима быстрой зарядки потребуется ток не менее 5 А. Также существуют источники на ток 0,5..1 А. Они малопригодны для восстановления запаса энергии телефона или планшета, но их назначение — зарядка беспроводных наушников или аккумуляторов для других маломощных устройств.
Ультратонкие
К этой категории относятся БП с толщиной от 12 до 20 мм при мощности до 200 ватт и до 35 мм при мощности до 400 ватт. Их удобно прятать в детали интерьера или применять в условиях ограниченного пространства. Такие источники нужны для обустройства рекламных вывесок, лайтбоксов и т.п.
Влагозащищенные
По степени защиты источники вторичных напряжений можно разделить на обычные и влагозащищенные. Чтобы определить, к какой категории относится источник, надо найти на его шильдике или в технической документации обозначение вида IP ZY, где Z – цифра от 0 до 6, обозначающая защиту от попадания внутрь твердых частиц, а вторая цифра Y (от 0 до 9) – защита от воды. Чем выше значение, тем выше защищенность. Так, IP20 означает, что БП никак не защищен от попадания воды, а IP 67 – что устройство выдержит погружение на глубину до 100 см на полчаса. Надо понимать, что за все надо платить, и, выбирая БП для применения в жилом помещении, нет экономического смысла приобретать прибор с высоким уровнем защищенности. Наоборот, источник, который предназначен для работы на улице, должен иметь уровень влагозащищенности хотя бы 3. Если класс защиты будет ниже, то БП проработает до первого дождя.
Если вместо одной из цифр обозначение IP содержит литеру X (например, IP2X), это означает, что устройство не сертифицировано по данной защите (хотя она может присутствовать).
С активным охлаждением
Мощные блоки питания часто выполняются с вентилятором для повышения эффективности отвода тепла. За счет этого несколько уменьшаются габариты радиаторов (и всего блока), но при работе такой БП издает заметный шум. Это надо учитывать при выборе источника вторичных напряжений для работы внутри помещений.
Основные характеристики для выбора
В первую очередь источники питания выбираются, прежде всего, по выходному напряжению – одному или нескольким необходимым.
Дальше надо определить, что будет первичным источником. Во многих случаях это бытовая сеть 220 вольт, но иногда надо запитать нагрузку от бортсети автомобиля или мотоцикла.
Далее надо обратить внимание на мощность источника питания в ваттах (или максимальный ток нагрузки в амперах). Если даже БП подойдет по напряжению, а выходной ток недостаточен, то обеспечить потребителя электроэнергией не получится. Напряжение, ток и мощность для постоянного тока связаны единой формулой:
P=U*I, где:
- P – мощность в ваттах;
- U – напряжение в вольтах;
- I – ток в амперах.
Зная две величины, всегда можно вычислить третью.
Если выходная мощность (или ток) превышают потребную для имеющейся нагрузки, то БП использовать можно, но он будет дороже.
Потом надо определить и другие критерии, которые могут оказаться важными:
- исполнение устройства;
- разъем (могут понадобиться переходники или переделка);
- другие параметры.
Что касается разъемов, в этом плане все стремится к упорядочиванию и стандартизации. Прошли те времена, когда каждый производитель оснащал свои БП собственным терминалом. Сейчас большую часть рынка занимают Lightning, MicroUSB и USB Type С. Последний тип терминала выглядит наиболее перспективным. Возможно, он и станет мировым стандартом.
Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.
Осознанный подход к выбору БП служит залогом долгой службы устройства. Если он подобран в соответствии с условиями работы, определять период работы будет только качество его изготовления.
