Принцип работы импульсных и линейных блоков питания
Поговорим об одном из самых популярных типов блоков питания. Это понижающие преобразователи постоянного напряжения. Смысл работы этих блоков питания довольно простой. Они имеют какое-то входное максимальное напряжение и могут его снижать иногда даже до нуля, а иногда чуть выше нуля вольт.
Вроде бы всё просто. Но оказывается все эти блоки питания можно разбить на две больших подгруппы. И каждая из них преобразует напряжение по разному.
У каждого из этих методов преобразования есть свои плюсы и минусы . Давайте более подробно разберёмся в этом.
Итак уменьшить входное напряжение можно двумя способами.
- Первый способ он более древней но используются до сегодняшних дней — это линейное преобразование
- Второй способ это импульсные преобразование
Линейные понижающие преобразователи напряжения
Если изобразить на рисунке схематически эти методы. Они кажутся примерно одинаковыми. Хотя принцип реализации их существенно различен.
А теперь главное отличие. Линейный преобразователь работает по принципу резистивного делителя.
Ниже на рисунке представлен график работы линейного преобразователя напряжения
Одно из плеч этого делителя является нагрузка блока питания. Другим выступает активный или пассивный компонент. Который может линейно менять своё сопротивление. Тем самым изменять напряжение на нагрузке. Его регулирующий элемент (транзистор VT1) функционирует в активном режиме, обеспечивая такое падение напряжения между выводами коллектора и эмиттера, чтобы выходное напряжение VOUT на нагрузке RLOAD находилось в заданных пределах. Поскольку через транзистор VT1 протекает весь ток нагрузки IOUT, КПД данной схемы будет напрямую зависеть от разницы напряжений между входом и выходом (формула 1):
де РIN и POUT – соответственно, входная и выходная мощности преобразователя.
Из этой схемы и формулы сразу становится виден главный недостаток этого преобразователя. И это низкий КПД линейных БП.
И чем больше разница между входным и выходным напряжением. Тем ниже коэффициент полезного действия (КПД).
При этом очень большая мощность рассеивается на на регулирующем элементе в виде тепла. Что в свою очередь требует от него хорошего охлаждения, а также не маленькие габариты.
Также дополнительной проблемами было использование в линейных стабилизаторов напряжения биполярных транзисторов. Даже на открытом переходе которых напряжения получается около одного вольта. Современные устройства с применением микроконтроллеров иногда требуют напряжения ниже 1 вольта. Что было практически невозможно реализовать на биполярных транзисторах.
Выходное напряжение для линейных преобразователей можно рассчитать по формуле представленной ниже
Ну это проблема на сегодняшний день уже решена. За счёт использования МОП транзисторов. Которые в открытом состоянии имеет очень низкое падение напряжения.
Если использовать такие стабилизаторы при очень небольшой разницы между входным и выходным напряжением. То КПД их существенно возрастает.
Импульсные понижающие преобразователи напряжения
В импульсных преобразователях, полупроводниковый элемент работает не в линейном режиме. А в ключевом режиме, периодически подключая нагрузку RLOAD к источнику питания на время tON.
И вот как всё это выглядит на графике:
Выходное напряжение для линейных преобразователей можно рассчитать по формуле
При этом выделяемая мощность на коммутирующих ключе ничтожно мала. В отличие от линейных преобразователей. И не зависит от соотношения входного и выходного напряжения. Это является одним из главных плюсов этих типов преобразователей.
Но ключевой режим создаёт пульсирующие напряжение на выходе. Что свою очередь является существенным минусом этих преобразователей.
Так как использование такого пульсирующие напряжения для питания большинства устройств неприменимо. То его нужно сглаживать. И для этого нужны фильтры. , уменьшающие пульсации выходного напряжения. И эти фильтры должны обязательно использоваться реактивные элементы, способные накапливать энергию (активный фильтр на полупроводниковых транзисторах для этих целей не подойдят). Это в свою очередь ведет также увеличению габаритов этих устройств.
Окончательные выводы
Так что как видим у каждого типа этих преобразователей есть свои плюсы и минусы. Которые компенсируют друг друга. Просто нужно эти преобразователи применять каждые для своих целей.
Иногда также встречаются гибридные системы. Сначала высокое напряжение понижается до более низкого за счёт импульсного преобразователя. А потом на выходе стоит линейный преобразователь. Это способствует большому КПД устройства. И хороший фильтрации выходного напряжения.
