В электротехнике источник питания — это устройство, которое преобразует электрическую энергию в выходное электрическое напряжение, ток и частоту, необходимые для подключенного электрического прибора. Он преобразует переменный ток в постоянный ток и питает различные электронные устройства (компьютер, телевизор, принтер, роутер и т. д.). Есть два различных вида источника питания: источник напряжения (обеспечивает постоянное напряжение) и источник тока (обеспечивает постоянный ток).

Источники питания для электронных устройств в основном можно разделить на линейные и импульсные:

• линейные источники питания, в которых согласующим элементом является трансформатор (сущетсуют и бестрансформаторные линейные истчники питания);
• импульсные источники питания с использованием различных типов электронных систем (преобразователей напряжения);

Линейные имеют относительно простую конструкцию, которая может усложняться с увеличением тока, который они должны подавать, однако их регулировка напряжения у них не очень эффективна.

Источник питания — неотъемлемая часть многих устройств. Вот некоторые из основных типов:

• Импульсный блок питания. В настоящее время большинство блоков питания производится в виде импульсных блоков питания. Их преимущество — в основном меньший вес. Когда полупроводниковые компоненты управления и питания еще не были доступны, чтобы позволить недорогую конструкцию импульсных блоков питания, использовались более тяжелые и долговечные блоки питания с трансформатором.
• Компьютерный блок питания. Компьютеры содержат импульсный источник питания, который преобразует низкое напряжение переменного тока из распределительной сети (230 В, 50 Гц) в низкое напряжение, используемое в электрических цепях компьютера (напряжение постоянного тока 3,3 В, 5 В и 12 В).
• Сетевой адаптер. Это небольшой импульсный блок питания, имеющий форму и размер стандартной электрической вилки (например, зарядного устройства для сотового телефона), используемый в сети 230 В, обеспечивающей небольшое напряжение, необходимое для конкретного электрического или электронного устройства. Сетевые адаптеры, как правило, используются с устройствами и приборами, которые не имеют свой собственный внутренний источник питания.
• Сварочный источник питания. Сварочные источники обеспечивают высокий ток (обычно сотни ампер), который позволяет расплавлять металл локально и, таким образом, обеспечивать его соединение. Раньше применялись так называемые сварочные трансформаторы (со специальными электромагнитными трансформаторами, рассчитанными на большие сварочные токи), более современными являются сварочные инверторы с электронным управлением.

Внутренне сопротивление источника питания

Идеальный источник питания, как источник напряжения, всегда обеспечивает одно и то же напряжение независимо от подключенной нагрузки (т. е. напряжение источника питания постоянно при разном потребляемом токе).

Однако идеального источника не существует, потому что внутреннее сопротивление реального источника ограничивает максимальный ток, который может протекать через электрическую цепь.

Настоящий источник питания может использовать стабилизатор напряжения для обеспечения стабильного выходного напряжения, которое обеспечивается за счет падения напряжения (разницы между входным и выходным напряжением стабилизатора). Пример — Импульсный стабилизатор напряжения

Итак, по качеству выходного напряжения источники питания различают:

• стабилизированные источники, напряжение которых поддерживается на постоянном уровне независимо от колебаний тока,
• нестабилизированные источники, в которых выходное напряжение может изменяться в зависимости от колебаний тока.

Трансформаторные линейные источники питания

Классические линейные источники состоят из следующих элементов: трансформатор, выпрямитель, фильтр и устройство регулирования напряжения.

Принципиальная схема линейного источника питания

Сначала трансформатор преобразует сетевое напряжение в пониженное и обеспечивает гальваническую развязку. Схема, которая преобразует переменный ток в импульсный постоянный ток, называется выпрямителем (для выпрямления используются мостовые схемы на диодах), далее фильтр с конденсаторами и индуктивностями уменьшает пульсации.

Регулирование или стабилизация напряжения до заданного значения достигается с помощью так называемого регулятора напряжения, в конструкции которого используются транзисторы.

Транзистор в схеме действует как регулируемое сопротивление. На выходе из этого каскада для достижения большей стабильности в пульсации есть второй каскад фильтрации (хотя и не обязательно, все зависит от проектных требований), это может быть обычный конденсатор.

Среди источников питания есть такие, в которых мощность, подаваемая на нагрузку, регулируется тиристорами, чтобы подавать требуемое напряжение и мощность на нагрузку.

Современные линейные источники питания

Стабилизация напряжения в базовом типе линейных источников достигается путем включения специального элемента параллельно цепи, питаемой от нестабилизированного источника более высокого напряжения, через подходящий резистор, вольт-амперная характеристика которого показывает резкое увеличение тока при требуемом напряжении. Такой элементом является стабилитрон (диод Зинера), который работает в широком диапазоне пороговых напряжений.

Недостатками источника питания с диодом Зенера являются относительно низкая стабильность выходного напряжения, относительно небольшой диапазон тока и особенно низкий КПД, поскольку электрическая энергия преобразуется в тепло в последовательном резисторе и в самом стабилитроне.

Современные линейные источники (обычно в виде интегральной схемы) используют элемент с переменным импедансом (транзистор в линейном режиме), который регулируется обратной связью, основанной на разнице между выходным напряжением и постоянным напряжением от внутреннего опорного напряжения (на основе диодной схемы, но с небольшим постоянным потреблением).

Типичными представителями линейных источников являются интегральные схемы типа 78xx (например, 7805 — источник напряжения 5 В) и их производные.

Недостатком таких линейных источников питания является их низкая эффективность (и поскольку рассеиваемая мощность в интегральной схеме изменяется в зависимости от нагрева, а также необходимость охлаждения), особенно когда существует большая разница между входным и выходным напряжением и большими токами. Недостатком иногда является также то, что выходное напряжение всегда ниже входного.

Преимущество заключается в их низкой цене, небольшом размере, простоте использования и отсутствии помех извне и в цепи питания.

Импульсные источники питания

В импульсных источниках питания используется полевой транзистор, который периодически замыкаются с относительно высокой частотой (десятки кГц и более) и увеличивают входное напряжение схемы, состоящей из комбинации катушки, конденсатора и диода. С помощью подходящей комбинации этих элементов можно добиться снижения и увеличения напряжения.

Другой тип импульсного источника питания — это источник питания с трансформатором и последующим диодным выпрямителем, в котором используются выгодные свойства (меньшие размеры трансформатора при больших токах, меньшие магнитные потери) современных магнитных материалов (ферритов) на высоких частотах. Изменяя частоту можно добиться изменения выходного напряжения.

Таким образом, такой источник питания включает в себя схему (обычно в виде интегральной схемы), которая обеспечивает изменение частоты на основе обратной связи от выходного напряжения, чтобы обеспечить стабильное выходное напряжение при различных нагрузках.

Поскольку импульсные источники питания работают с прямоугольными напряжениями токов и токов, они, как правило, излучают электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Поэтому при их создании и использовании необходимо соблюдать принципы электромагнитной совместимости (ЭМС).

Лабораторное оборудование

В мастерской или лаборатории прецизионный источник питания используется для проведения измерений, испытаний, поиска и устранения неисправностей. Эти лабораторные источники питания преобразуют, выпрямляют и регулируют напряжения, а также выходные токи, так что измерения можно проводить без повреждения тестируемых элементов.