Выбор лабораторного блока питания

Выбор лабораторного блока питания — задача с которой рано или поздно сталкивается практически каждый электронщик и задача это не простая. Для облегчения выбора лабораторного блока питания в данной статье описываются преимущества и недостатки основных типов лабораторных блоков питания и их параметров. Предполагается, что лабораторный блок питания имеет режимы стабилизации напряжения и тока, иначе такой блок питания пожалуй не является лабораторным.

Импульсный или линейный лабораторный блок питания

Для начала определимся с понятиями, под импульсными будут иметься лабораторные блоки питания у которых регулировка выходного напряжения и тока обеспечивается посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) у линейных – посредством линейного регулирующего элемента, как правило биполярного транзистора.

Преимущества импульсного блока питания:

  • малые габариты и вес;
  • как правило большой выходной ток;
  • относительно меньшая стоимость;
  • высокий КПД.

Недостатки импульсного блока питания:

  • относительно высокие пульсации выходного напряжения/тока;
  • наличие существенных электромагнитных помех (свойственно дешевым «китайским» блокам питания);
  • малое быстродействие (далее будет описано подробно).

Преимущества линейных блоков питания:

  • малые пульсации выходного напряжения и тока;
  • высокое быстродействие.

Недостатки линейных блоков питания:

  • большие габариты и вес;
  • относительно небольшой выходной ток (как правило не более 5А);
  • низкий КПД.

С такими параметрами как габариты, вес и КПД и так все понятно, тут выбор скорее дело вкуса и наличия свободного места на рабочем столе, а вот относительно пульсаций, помех и быстродействия рассмотрим подробнее.

Итак у импульсных блоков питания регулирование уровня выходного напряжения (тока) осуществляется изменением заполнения ШИМ (резонансные источники питания не рассматриваем т.к. они имеют малый диапазон регулирования) т.е. длительностью импульса, для того что бы на выходе получить «ровное» напряжение используются LC или C фильтры, причем чем больше емкость конденсатора фильтра, тем ниже пульсации.

Таким образом, чтобы получить низкие пульсации напряжения (тока) требуются конденсаторы относительно большой емкости (как правило на уровне 1000-2000 мкФ). Конечно если значительно увеличить частоту ШИМ, то емкость конденсаторов можно уменьшить, но тогда значительно возрастут потери от переключения транзисторов и преимущества импульсного блока питания сойдут на нет.

Большая емкость на выходе лабораторного блока питания нежелательна из соображений защиты устройства, которое питается от блока питания ведь разряд этой емкости в случае перегрузки по току происходит на нагрузку, и не смотря на наличие у блока питания режима стабилизации тока устройство может выйти из строя.

Кроме того из-за большой емкости на выходе «время реакции» блока питания намеренно завышается, из-за чего при подключении значительной нагрузки могут наблюдаться существенные провалы напряжения, а при отключении всплески (выбросы). Провалы напряжения не так страшны, а вот выбросы напряжений могут оказать негативное влияние на питаемое устройство.

Для лучшего понимания вышеизложенного рассмотрим простейший случай питания светодиода от лабораторного блока питания. Допустим номинальный ток светодиода 20мА, падение напряжения 2В, так вот если мы выставим на блоке питания ограничение тока 20мА, а напряжение хотя бы 5В, то при подключении к импульсному источнику питания с большой емкость на выходе светодиод скорее всего сгорит т.к. выходной конденсатор, заряженный до 5В, будет разряжаться на светодиод неконтролируемым током. Конечно можно заранее установить заведомо меньшее напряжение, но лабораторный блок питания на то и лабораторный, что бы выручать электронщика в нештатных ситуациях. Тоже касается и неправильного подключения плюс/минус. В случае импульсного блока питания выходной конденсатор будет разряжаться неконтролируемым током на устройство и большой вероятностью повредит его.

В линейных блоках питания на выходе устанавливается относительно небольшая емкость ( на уровне 10-100 мкФ) и нужна она скорее не для стабилизации выходного напряжения, а для обеспечения устойчивости контуров стабилизации тока и напряжения.

Линейный лабораторный блок питания с маленькой емкостью на выходе более шустрый и с большой вероятностью спасет Ваше устройство при нештатных ситуациях.

Пульсации выходного напряжения (тока) импульсного блока питания обычно больше, чем у линейного, но справедливости ради следует заметить, что даже уровня пульсации импульсного блока питания достаточно для подавляющего числа устройств, так что это скорее не недостаток, а особенность.

Рассмотрим вопрос электромагнитных помех импульсного источника питания, некоторые электронщики убеждены, что абсолютно все импульсные источники питания «шумят» и не годятся для питания скажем устройств аудиотехники.

Это не совсем так, конечно помехи свести к нулю не возможно, но помехи качественно спроектированного импульсного источника питания незначительны и не оказывают влияния на подавляющее большинство потребителей, кроме того помехи источников питания различных приборов как то паяльная станция или люминесцентный светильник, могут быть больше чем помехи от блока питания. Поэтому не стоит заведомо «ставить крест» на импульсных источниках питания, просто к их выбору нужно подходить более тщательно.

При значительных преимуществах линейных источников питания имеют они и существенный недостаток — относительно малый выходной ток, как правило максимальный выходной ток линейных источников питания составляет 5А. Связано это с большими потерями на регулирующем элементе.

Кроме чисто импульсных и линейных блоков питания бывают лабораторные блоки питания с комбинированным регулированием, в частности лабораторный блок питания «Тихоня». В данном блоке питания используется двойное регулирование напряжения, напряжение сначала снижается импульсным стабилизатором до напряжения на 1-2В выше требуемого выходного напряжения, а затем контуром линейного стабилизатора напряжения снижается до требуемого, такое решение позволяет обеспечить высокое быстродействие контура стабилизации и высокий выходной ток (до 10А). Выходные пульсации такого блока питания чуть выше чем у традиционного линейного блока питания, но ниже чем у традиционного импульсного блока питания.

Диапазон выходного напряжения и тока, количество каналов

Наиболее распространены лабораторные блоки питания с максимальным выходным напряжением 18, 30, 60 В и максимальным выходным током 3, 5, 10А. При выходных токах более 10А градация как правило произвольная.

Выбор диапазона напряжения и тока лабораторного блока питания зависит от выполняемых задач, так для питания низковольтных устройств на микроконтроллерах достаточно 18В блока питания.

Если Вы еще только начинаете осваивать электронику и не можете предугадать какие устройства в будущем будет собирать и отлаживать, то при наличии бюджета лучше сделать выбор лабораторного блока питания на 30В, при ограниченном бюджете подойдет и 18В блок питания, в будущем его можно использовать как дополнительный или резервный блок питания если потребуется приобрести блок питания на 30 или 60В.
С максимальным выходным напряжением разобрались, теперь рассмотрим какой нам нужен выходной ток.

Для большинства случаев выходного тока 5А более чем достаточно, но если Вы занимаетесь например автомобильной электроникой, то не лишним будет иметь блок питания с выходным током до 10-20А. Лабораторный блок питания с выходным током до 3А подойдет если Вы не планируете отлаживать относительно мощных устройств, например ограничиваетесь программированием микроконтроллеров.

При выборе лабораторного блока питания также следует обратить внимание на точность и дискретность измерения выходного тока, большинство бюджетных блоков питания имеют дискретность измерения тока 10 мА, чего может оказаться недостаточным для отладки маломощных устройств, устройств с батарейным питанием.

Сколько же каналов должен иметь лабораторный блок питания ? Наиболее распространены одноканальные блоки питания, но если Вы планируете заниматься аудиотехникой, то желательно иметь двуканальный блок питания, допускающий последовательное соединение каналов, что позволит получать двуполярное напряжение питания.

Двух канальные лабораторные блоки питания также могут быть удобны при одновременной отладке нескольких устройств или устройств с множеством вторичных источников питания, но многоканальные блоки питания значительно дороже одноканальных и для питания относительно маломощных устройств может оказаться проще собрать самостоятельно дополнительный маломощный источник питания, например на 5 или 3,3В выходного напряжения и 1-2А выходного тока.

Интерфейс – крутилки, кнопки, индикаторы

И снова немного терминологии. Лабораторные блоки питания бывают программируемые и обычные (непрограммируемые). В программируемых лабораторных блоках питания выходное напряжение задается клавиатурой, кнопками или энкодером и в контуре стабилизации тока и напряжения с использованием цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) формируются соответствующие опорные напряжения т.е. выходное напряжение и ток явно задаются пользователем, а блок питания их обеспечивает ( с учетом погрешности естественно).

В обычных (непрограммируемых) лабораторных блоках питания выходное напряжение и ток задаются переменными резисторами (крутилками), которые подключаются непосредственно в контур обратной связи и/или как делитель опорного напряжения, при этом текущее выходное напряжение определяется по показанием индикатора напряжения в режиме «онлайн», а максимальный выходной ток устанавливается по индикатору тока при замкнутом выходе.

Следует отметить, что как правило программируемые лабораторные блоки питания имеют функцию подключения и отключения нагрузки
Таким образом программируемый лабораторный блок питания является более предпочтительным выбором, т.к. более удобен в эксплуатации, но за удобство приходится платить поскольку эти блоки питания дороже обычных.

Важной особенностью обычных (непрограммируемых) блоков питания является и то, что при их включении/выключении на выходе возможны кратковременные всплески напряжения, способные причинить вред подключенному устройству, поэтому если все же Вы сделали выбор в пользу такого блока питания — проверьте его на наличие такой особенности.

Следующий элемент интерфейса — индикаторы, у программируемых блоков питания индикация выходных параметров (тока и напряжения) осуществляется цифровыми индикаторами, а вот у обычных лабораторных блоков питания встречаются стрелочные индикаторы.

С точки зрения точности отображения цифровые индикаторы лучше т.к. измерение напряжения и тока осуществляется посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и типовая погрешность показаний составляется 0,5-1%, в то время как при наличии стрелочных индикаторов напряжение и ток измеряется непосредственно ими, при этом типовая погрешность измерения составляет 1,5-2,5% и может со временем увеличиваться по мере ослабления пружины стрелочного механизма.

Резюме

Линейный лабораторный блок питания обдает большим быстродействием в сравнении с импульсным блоком питания и более предпочтителен для отладки устройств т.к. в случае нештатных ситуаций вероятность, что блок питания «спасет» устройство значительно выше. Если все таки выбор пал на импульсный лабораторный блок питания следует быть более внимательным при отладке устройств.

Для питания «прожорливых» устройств с током потребления более 5А предпочтительными будут импульсные лабораторные блоки питания. При этом следует выбирать качественные блоки питания проверенных фирм т.к. у дешевых «китайских» блоков питания могут быть высокими помехи.

Особо следует отметить блоки питания с комбинированным регулированием ( см. блок питания «Тихоня») они имеют высокое быстродействие (см. видео) и относительно высокий выходной ток.
Для начального уровня и питания устройств на микроконтроллеров достаточно лабораторного блока питания с выходными параметрами 18В 3А, но более универсальным (с запасом на будущее) будет блок питания с выходными параметрами 30В 5А.

Если планируется отладка устройств с батарейным питанием то следует обратить внимание на дискретность измерения тока, предпочтение следует отдавать блокам питания с разрешением 1мА.

Программируемые лабораторные блоки питания более удобны в использовании и имеют функцию отключения нагрузки, хотя кому то удобнее может быть классический вариант с переменными резисторами. Если у Вас лабораторный блок питания с переменными резисторами, то следует проверить не возникают ли на выходе блока питания всплесков (выбросов) напряжения при включении и выключении питания.

Выбор лабораторного блока питания непростая задача, надеемся, что наша статья поможет выбрать удобный для Вас лабораторный блок питания.