Выбор блока питания, трансформаторный или импульсный

В статье пойдет речь о выборе сетевого блока питания (который подключается к сети переменного тока 230В или 400В).
Под блоком питания понимается как обособленное устройство (адаптер), так и часть устройства. В качестве трансформаторного блока питания понимается блок питания на базе низкочастотного трансформатора. Под импульсным понимается блок питания со схемой формирования высокочастотных импульсов и высокочастотным трансформатором (дросселем в случае с flayback).

Итак Вы проектируете устройство или же оно у Вас уже имеется и его нужно запитать от сети т.е. нужен БП. Какой БП выбрать: трансформаторный или импульсный ? Однозначного ответа тут не может быть, у каждого типа блоков питания есть свои преимущества, недостатки и особенности, о них мы и поговорим в этой статье.

Сравнение и выбор блока питания будем выполнять по следующим основным критериям:

— развязка с сетью;
— пульсации и помехи;
— стабильность выходного напряжения.

Развязка с сетью

Предполагается, что выбираемый блок питания обеспечивает гальваническую развязку с сетью. Какой же из двух видов блоков питания обеспечит максимальную развязку ?
На первый взгляд выбор очевиден — трансформаторный блок питания так как импульсный имеет в своем составе Y конденсатор (или даже несколько) между входом и выходом.

Теоретически трансформаторный блок питания действительно обеспечивает полную развязку с сетью, но на практике это не всегда так, особенно для тороидальных трансформаторов.

При изготовлении тороидальных трансформаторов вторичная обмотка наматывается поверх первичной и между ними образуется паразитный конденсатор. При этом к паразитному конденсатору приложено переменное напряжение сети.
К сожалению значение межобмоточной емкости трансформаторов производители никак не нормируют.и узнать его можно только фактическим измерением «на месте». Общая тенденция такая, что чем выше мощность (размер) трансформатора, тем выше межобмоточная емкость. Кроме размера трансформатора, на значение межобмоточной емкости влияет качество изоляции.

Для примера на фото ниже приведены результаты измерения межобмоточной емкости различных тороидальных трансформаторов. Емкость измерялась RLC метром Е7-22 при частоте 120 Гц.


У Ш образных трансформаторов, обычно, первичная и вторичные обмотки разделены на отдельные секции, поэтому значение межобмоточной емкости значительно меньше.

Вернемся к импульсным блокам питания. Типовое значение емкости Y конденсатора между входом и выходом 2,2 нФ. Часто можно встретить более высокое значение вплоть до 4,7 нФ, реже меньшее значение 1 нФ.
Таким образом блок питания на мощном тороидальном трансформаторе между входом и выходом может иметь емкость соизмеримую или даже большую, чем в качественном импульсном блоке питания. При этом наличие емкости в импульсном блоке питания известно, а вот о такой особенности тороидального трансформатора обычно нигде не указывается.

Чем же «вредна» эта самая емкость ?
Прежде всего паразитным потенциалом на выходе относительно земли. Этот потенциал может составлять десятки вольт, и при касании выхода блока питания (или запитанного им устройства) заземленным паяльником или просто рукой, приводить к выходу устройства из строя.

В импульсных источниках питания для снижения потенциала на выходе относительно земли и дополнительного снижения помех устанавливают конденсаторы между выходом и заземлением. Рекомендуемая суммарная емкость конденсаторов не более 20 нФ.

Поскольку указанные конденсаторы устанавливаются не во все импульсные блоки питания, а величина межобмоточной емкости для тороидальных трансформаторов не нормируется, то при их использовании рекомендуется проверять наличие паразитного потенциала на выходе. Для этого можно использовать мультиметр в режиме измерения переменного напряжения и при включенном блоке питания один щуп взять в руку (или соединить с заземлением) второй соединить с выходом блока питания.

Другое негативное влияние межобмоточной емкости — проникновении сетевых помех. При этом импульсные блоки питания оказываются в более выигрышном положении т.к. у них в большинстве случаев устанавливается входной фильтр. Этот фильтр препятствует проникновению помех в сеть от импульсного блока питания и наоборот.

Итог. При выборе блока питания, если Вам требуется максимальная развязка с сетью, то лучше использовать трансформаторный блок питания с Ш сердечником и разделенными обмотками. При этом нужно учитывать, что Ш трансформатор имеет большее поле рассеяния и может наводить помеху 50 Гц. В некоторых особо чувствительных приборах устанавливаются последовательно два тороидальных трансформатора, чем обеспечивается высокая развязка и малая помеха 50 Гц.

Пульсации и помехи

Понятия пульсации и помехи достаточно близкие и могут иметь различное толкование. В данной статье под пульсациями понимаются колебания напряжения/тока вызванные естественными процессами. Под помехами понимаются колебания(выбросы) напряжения/тока вызванные различными «паразитными» явлениями. Например: колебания напряжения на выходе источника питания после выпрямителя и LC фильтра — пульсации. Всплески напряжения, вызываемые коммутацией ключей — помехи. Еще пример: колебания напряжения на выходе трансформаторного блока питания после выпрямителя и фильтра с частотой 100Гц — пульсации, наводимые полем рассеяния колебания напряжения в схеме — помехи. Грубо говоря помеха это неестественное (мешающее) колебание напряжения.
Может быть такая классификация не совсем научная и правильная, но она позволяет упростить изложение материала.

Для начала разберемся с пульсациями.
В случае с трансформаторным блоком питания пульсации выходного напряжения обычно выше, чем у импульсного (стабилизированного) блока питания. Это связанно с низкой частотой импульсов напряжения на выходе выпрямителя трансформаторного блока питания. Однако низкочастотные пульсации трансформаторного блока питания эффективно подавляются аналоговыми схемами (операционные усилители, линейные стабилизаторы и др.). Частота пульсаций импульсного блока питания составляет десятки и даже сотни килогерц. Степень подавления таких высокочастотных пульсаций по питанию аналоговых схем значительно меньше и они могут «проникать» на их выход. Например в схеме входного тракта АЦП на операционном усилителе пульсации по питанию могут накладываться на полезный сигнал. Для подавления высокочастотных пульсаций по цепям питания операционных усилителей часто используются RC фильтры: резистор сопротивлением 10-100 Ом и керамический конденсатор емкостью 0,1-10 мкФ. Если требуется уменьшить пульсации импульсного блока питания в силовой цепи, то используются дополнительные LC фильтры.

С помехами дело обстоит гораздо хуже.
Если величина пульсаций более менее поддается анализу на этапе проектирования, то оценить величину помех сложно.

В случае с трансформаторным блоком питания помехи создаются полем рассеяния трансформатора, у тороидальных трансформаторов оно меньше у Ш образных больше. Особенно «страдают» от этих помех аналоговые схемы, обрабатывающие низкоуровневые сигналы (прецизионные мультметры, усилители звуковой частоты, радио аппаратура). Для подавления помех от низкочастотного трансформатора используются экранирующие оболочки (кожухи) из стали или жести.

В импульсных блоках питания основные помехи создаются при переключении транзисторов и восстановлении диодов. Подавление этих помех очень обширная и достаточно скучная тема. Гораздо полезнее будет рассмотреть топологии (типы) импульсных блоков питания по формированию помех.

Обратно-ходовые (flyback) импульсные блоки питания с точки зрения помех самый неудачный выбор. Эти импульсные блоки питания среди прочих наиболее подвержены возникновению мощных импульсных помех. К проектированию и выбору таких блоков питания нужно подходить более тщательно, особенно если его мощность составляет десятки ватт .

Полумостовые (half-bridge) и мостовые (full-brige) импульсные блоки питания с точки зрения помех наиболее удачный выбор. Блоки питания данной топологии обычно имеют меньший уровень помех. Частным случаем полумостовых и мостовых импульсных блоков питания являются резонансные схемы в которых коммутация транзисторов осуществляется при нулевом напряжении или токе, из-за чего возникающие помехи минимальны.

Прочие топологии импульсных блоков питания занимают промежуточное место между обратно-ходовыми и полумостовыми (мостовыми) схемами.
Не стоит воспринимать эту классификацию буквально, величина помех сильно зависит от реализации и при неудачном исполнении резонансная схема может «фонить» сильнее качественно спроектированного и изготовленного flayback.

Итог. При выборе блока питания следует учитывать, что помех от импульсных блоков питания  больше чем от трансформаторных, но помехи импульсных блоков более высокой частоты (обычно это десятки мегагерц) и малой продолжительности. Если помеху от трансформаторного блока можно услышать в прямом смысле, то помехи от импульсных блоков питания можно увидеть разве, что осциллографом. Это не значит, что помехи импульсных блоков питания можно игнорировать, сильный их уровень способен нарушить работу цифровых схем и создать помехи в радиоэфире. Но нужно учитывать, что во многих случаях незначительный уровень помех качественно спроектированного импульсного блока питания не оказывает существенного влияния на работу устройства ( и соседних устройств).

Стабильность выходного напряжения

Выбор блока питания мы осуществляем для определенного устройства и у него есть диапазон входных напряжений при котором оно будет корректно работать.

Напряжение на выходе трансформаторного блока питания может изменяться в значительном диапазоне. Изменение напряжения вызывают как изменение напряжения питающей сети, так и изменение нагрузки. Особенно сильная зависимость выходного напряжения от нагрузки у маломощных трансформаторов.

Рассмотрим пример трансформаторного блока на трансформаторе ТП-121-4.
Исходные данные:
— номинальное выходное напряжение трансформатора на холостом ходу 16,4В;
— номинальное выходное напряжение трансформатора под нагрузкой 11,2В.
— отклонение напряжения сети +-10% (ГОСТ 29322-2014).

Максимальное напряжение на выходе блока питания будет на холостом ходу при максимальном напряжение сети. Считаем Uвых = 16,4*1,1*1,4 = 25,3В.
Минимальное напряжение на выходе блока питания будет при максимальной нагрузке и минимальном напряжении сети. Считаем Uвых = 11,2*0,9*1,4=14,1В. Фактически под нагрузкой напряжение будет еще ниже из-за падения напряжения на диодах и из-за того, что фактически амплитуда импульсов тока в обмотках будет выше номинальных значений (емкость выпрямителя заряжается короткими импульсами) и следовательно падение напряжения на обмотках будет выше расчетных.

Расчет показывает, что на выходе трансформаторного блока питания напряжение значительно изменяется в зависимости от нагрузки и сетевого напряжения, в рассмотренном примере почти в два раза. Если требуется получить более стабильное (фиксированное) напряжение, то необходимо использовать дополнительные стабилизаторы напряжения. При использовании линейных стабилизаторов из-за большого разброса входного напряжения возникают существенные тепловые потери. При использовании импульсных понижающих step-down преобразователей потери значительно ниже, но габариты и стоимость увеличиваются, кроме того добавляется необходимость дополнительной фильтрации ВЧ пульсаций для чувствительных аналоговых схем.

Напряжение на выходе импульсного блока питания стабилизировано (если это стабилизированный блок питания, а не «электронный трансформатор» на IR2153), при изменении нагрузки или напряжения сети выходное напряжение изменяется незначительно. Если у блока несколько выходов, то контур стабилизации замыкается по наиболее мощному и тогда остальные (дополнительные) каналы являются условно стабилизированными. Напряжение на дополнительных выходах изменяется в зависимости от нагрузки, но изменения эти не так значительны как у трансформаторного блока, обычно колебания напряжения не превышают +-0,5В и если эти колебания критичны, то может быть установлен дополнительный стабилизатор, причем номинальное напряжение может быть подобрано так, чтобы тепловые потери были незначительными.

Итог. Напряжение на выходе трансформаторного блока питания значительно изменяется в зависимости от напряжения сети и нагрузки, особенно у маломощных блоков. У импульсных блоков питания напряжение на выходе для основного канала (по которому замкнут контур стабилизации) стабилизировано, а изменение напряжения в дополнительных каналах незначительно. Это позволяет сократить общее число стабилизаторов в схеме, а в некоторых случаях и вовсе отказаться от них.

Заключение

При выборе блока питания рекомендуется руководствоваться следующими правилами.

Трансформаторные блоки питания выгодно использовать для питания маломощных устройств требующих хорошей гальванической развязки с сетью, минимальных пульсаций и помех. При использовании трансформаторных блоков питания следует учитывать значительное изменение выходного напряжения при изменении напряжения сети и нагрузки. Ш образный трансформатор обеспечивает большую гальваническую развязку с сетью в сравнении с тороидальным, но имеет большее поле рассеяния и в чувствительных схемах может потребовать экранирования.

Импульсные блоки питания следует выбирать тщательно, отдавая предпочтение качественным и проверенным моделям. В большинстве случаев помехи от качественно спроектированных и изготовленных импульсных блоков питания не оказывают существенного влияния на устройства. При питании аналоговых схем высокочастотные пульсации импульсных блоков питания могут проникать на их выход, в этих случая применяют дополнительные RC или LC фильтры. При выборе мощного импульсного блока питания (более 100Вт) предпочтение стоит отдавать полумостовым и мостовым топологиям.

В целом из статьи следует вывод, что импульсные блоки питания в большинстве случаев лучше трансформаторных. При современном уровне техники так оно и есть, если импульсный блок питания качественный. Но для разовых или малосерийных устройств, с точки зрения затрат на разработку, трансформаторный блок питания при всех его недостатках может оказаться выгоднее, особенно в связке с понижающим step-down стабилизатором.

Также рекомендуем нашу статью о выборе лабораторного блока питания.