Что нужно знать об источниках питания

Пинаев А.И. к.т.н
Мерчи Г.Ю.
Что нужно знать об источниках питания
Принято считать, что из всех технических средств ОПС источники питания (ИП) наиболее простое изделие. В
большинстве описаний и характеристик на ИП, производители указывают набор стандартных параметров не
конкретизируя способы их реализации. Но так как истина всегда скрыта в нюансах, без понимания смысла и методов
реализации приводимых показателей невозможно оценить качество и возможности изделий. Проще всего оценивать
каждый параметр ИП по его назначению и техническим способам реализации.
1. Защита от перегрузки и короткого замыкания. (Примечание: здесь и далее все виды защит на плавких вставках
и самовосстанавливаемых предохранителях авторы не относят к защитам, полагая их декоративными элементами
схемы ИП). Один из наиболее сложных показателей. Защита от перегрузки – это защита от превышения током
нагрузки безопасного значения, рассчитанного на долговременный режим работы, защита от замыкания - от
критических токов, способных мгновенно вывести источник из строя. Как правило, защита от замыкания «быстрая»
и устанавливается на достаточно большой ток (чтобы исключить срабатывание в момент подключения емкостной
нагрузки), защита от перегрузки «медленная» и устанавливается на ток, соответствующий максимально
допустимому долговременному току. Допустим, ток защиты от замыкания 3-х амперного источника установлен на 8
А, а защита от перегрузки отсутствует. Если потребитель непреднамеренно установил ток 4 А, то очевидно, что
источник какое то время будет работать, но только не очень долго. Иногда в пусковых источниках, ток работы при
наличии аккумуляторов устанавливается больший, чем при работе без аккумуляторов. В этом работа будет
осуществляться до разряда аккумуляторов.
Следует иметь в виду, что замыкание замыканию рознь как, впрочем, и перегрузка перегрузке. Для источников
питания, особенно импульсных наиболее опасным является так называемое искрящее замыкание, против которого
обычная защита в большинстве случаев бессильна. Как правило, если проблему пытаются решить, то ее решают
блокированием, на какое то время, повторного включения ИП после обнаружения замыкания. Если Вас интересует
подобный параметр, имеет смысл уточнить у разработчиков как он реализован, или проверить на личном опыте,
создавая частые замыкания по выходу.
Особенно полезно проверить работу источника на емкостную нагрузку, так как устройства, используемые в качестве
нагрузки, как правило, содержат в своем составе накопительные емкости. Чем больше таких устройств, тем больше
суммарная емкость нагрузки. В момент подачи напряжения от ИП незаряженная емкость воспринимается им как
короткое замыкание. Длительность этого замыкания тем больше, чем больше емкость нагрузки и выше
сопротивление соединительных проводов. Таким образом, источник питания с номинальным выходным током,
скажем 3 А может не включиться на нагрузку со средним потребляемым током 100 мА, поскольку в момент
включения в нем будет постоянно срабатывать защита от короткого замыкания.
Проверить этот параметр достаточно легко: подключите к выходу источника (без аккумулятора) электролитический
конденсатор емкостью 4000 мкФ согласно полярности и рабочим напряжением больше выходного напряжения
питания ИП, включите источник в сеть. Если в нем сработает защита, можете смело сдавать его в металлолом.
Примечание: Поясним, почему емкостная нагрузка, в момент включения воспринимается как замыкание. Известно, что ток
заряда емкости описывается выражением: Ic = C (Uc/t), где С – емкость нагрузки в Фарадах, (Uc/t) – скорость изменения
напряжения на емкости (В/с). Пусть источник напряжением 24 В включается на емкостную нагрузку 1000 мкФ и время
включения источника 1 мс. Положим, что внутреннее сопротивление источника и сопротивление соединительных проводов до
нагрузки равно 0. Тогда пиковый ток источника на заряд емкости нагрузки: Ic = 1000-6* (24/10 -3) = 24 А.
У понятия защиты есть еще один немаловажный и особо существенный аспект: возможность питать устройство,
имеющие несколько выходов или несколько устройств, в каждом из которых предусмотрены выходы. Представьте
схему, показанную на рисунке 1.
Пусть в устройстве, защищенном
по выходу плавкой вставкой или
самовосстанавливаемым
предохранителем, произошло
замыкание. Если защита в ИП
сработает раньше, чем
предохранитель, все (все)
устройство(а) обес-точатся и
соответственно имеющиеся
тревожные состояния будут
Рис.1
сброшены
Далее источник будет пытаться включиться и процесс, соответственно повторится. В итоге вся система окажется
неработоспособной. Значимость этого показателя является, пожалуй, наиболее существенной из всех. Рекомендуем
проверить его после монтажа системы, закорачивая какой либо выход питаемого от него устройства.
Таким образом, к защите от замыкания и перегрузки негласно добавляется еще один параметр – возможность
источника выводить из строя предохранительные элементы выходов питаемых им устройств без обесточивания этих
устройств и собственного повреждения (время выдерживания критической перегрузки). Если такая функция в
источниках есть, то она реализуется только при наличии АКБ, в противном случае мощности самого источника
может не хватить для вывода предохранительных элементов из строя.
2. Работа источников в параллель
Существенный параметр. Он предполагает, что в источниках предусмотрено ограничение по току (мощности), т.е,
при увеличении выходного тока выходное напряжение снижается, таким образом, чтобы ток не превысил
безопасную величину. Представьте себе, что этой функции нет и параллельно включили два источника, один с
напряжением 13 В, другой - 13,6 В и сопротивление проводов между ними 0,1 Ом. Тогда от одного источника к
другому пойдет ток 60 А, что приведет к выходу одного источника из строя или срабатыванию в нем защиты от
перегрузки.
3. Резервируемые источники питания
Под резервируемыми источниками питания подразумеваются источники, которые работают как от сети, так и от
аккумуляторов при отсутствии сети, а так же имеющие возможность дополнительной подпитки сетевого выхода
аккумуляторным током (в последнем случае они еще называются пусковыми ИП). Важной особенностью таких ИП,
является схема переключения с сетевого источника на аккумулятор и обратно, а так же дополнительная подпитка
сетевого выхода аккумуляторным током. Существует два основных метода: переключением на аккумулятор, схемой
с ограничением тока. Рассмотрим первый вариант. Самое отвратительное, что может быть – это схема с
переключением на аккумулятор и обратно посредством реле (рис.2а).
а)
б)
Рис.2
Предположим, что в какой то момент времени возникла перегрузка по току сетевого источника и реле
переключается на аккумулятор. Мало того, что в момент переключения контактов реле нагрузка вообще
обесточивается, после их переключения ток сетевого источника прекращается, защита выключается, и контакты
реле возвращаются обратно. Далее процесс повторяется. Более распространенной является схема переключения на
диодах (рис.2б). Ее несомненным преимуществом является постоянное электропитание нагрузки, но и недостатков у
нее, то переключение с источника на аккумулятор и обратно, как в и предыдущем случае, будет приводить к
броскам напряжения между уровнем сетевого источника и аккумулятора, особенно заметным в системах
оповещения при срабатывании защиты на пиковые токи
нагрузки. Обычно это прослушивается в
громкоговорителях как характерные щелчки. На выходных диодах приходится рассеивать значительную мощность,
что усугубляет проблему охлаждения (на токе 10 А потери составляют около 10 Вт), кроме того падение
дополнительного вольта на проходном диоде уменьшает время работы от аккумуляторов.
Существуют и гибридные варианты обеих методов, в которых контакты реле зашунтированы диодами (на
переключениях работают диоды, после переключений контакты реле). Неустранимой проблемой подобного метода
являются отмеченные выше броски напряжения.
И, конечно для пусковых ИП нужно иметь в виду, что ток защиты от перегрузки при работе от сети и аккумуляторов
должен быть разным (иначе само понятие пускового блока теряет смысл). В любом случае особенностью всех схем
на переключениях является недоиспользование тока сетевого источника при переходе на аккумулятор и
соответственное меньшее время работы при перегрузках.
Альтернативной, но более дорогой, является схема источника с ограничением тока. Ее смысл состоит в том, что при
возрастании тока нагрузки более допустимого, выходное напряжение источника начинает снижаться и при
дальнейшем увеличении тока сравнивается с напряжением на аккумуляторе. При этом ток нагрузки распределяется
между аккумулятором и источником пропорционально наклону линии снижения напряжения (рис.3). Примечание:
Это тот же метод, которым обеспечивается работа источников в параллель
Рассмотрим работу схемы поэтапно.
Предположим, что аккумулятор
зарядился не полностью и
напряжение сетевого источника и
аккумулятора отличаются. При
увеличении тока нагрузки и
достижении им тока начала
ограничения, выходное напряжение
ИП начинает снижаться.
Рис.3
Пусть выходной ток установлен на уровне точки «В», тогда выходное напряжение будет соответствовать
напряжению на аккумуляторе, а ток нагрузки распределиться между током сетевого источника и аккумулятора. По
мере разряда аккумуляторов напряжение источника и аккумулятора будет снижаться с перераспределением токов
между ними. Очевидно, что на всей стадии снижения, ток сетевого источника не должен превышать безопасных для
него значений, а схема ИП должна распознавать факт работы от АКБ для установки тока защиты от перегрузки на
более высоком уровне.
Схема пускового блока на основе ограничения тока лишена недостатков схем на переключениях и, что
немаловажно, допускает работу нескольких источников питания в параллель.
4. Способ заряда аккумуляторов. Традиционно существуют два основных способа заряда: буферный и ускоренный.
Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Однозначно, что ускоренный способ обеспечивает
более быструю зарядку, его технология состоит в том, что аккумулятор заряжается постоянным током (порядка
0,1С) до напряжения примерно 14,2 В, далее ток снижается и обеспечивается поддержание напряжения на уровне
13,6 В. К недостаткам метода относится сложность схемной реализации, а так же нивелирование основного
преимущества (ускоренного заряда) при установках АКБ большей емкости (при установке АКБ меньшей
паспортной емкости, ток заряда будет превышать допустимый). В простых и наиболее распространенных системах
используется принцип буферного заряда, когда аккумулятор подключен к источнику выходного напряжения ИП
через токоограничивающую цепь (линейную или импульсную, включая ограничители тока) – рис.4 а.
а)
б)
Рис.4
В процессе заряда, по мере повышения напряжения на аккумуляторе, ток снижается и процесс заряда увеличивается
по времени (Рис.4 б). Как правило, если в технических параметрах ИП указан «максимальный» ток заряда, речь идет
о буферном заряде, а указываемый ток соответствует напряжению полного разряда. Очевидно, что подобная
информация не позволяет самостоятельно рассчитать время полного заряда аккумулятора.
5. Контроль емкости аккумуляторов. Функция далеко не лишняя, особенно в пусковых ИП, где требования к
исправности аккумуляторов выше, чем в простых бесперебойных источниках питания. К сожалению, узаконенного
метрологического способа, обеспечивающего ускоренную проверку емкости не существует, ибо метод предполагает
многократные циклы полного заряда и разряда АКБ калиброванным током. Во всех схемах, где реализован контроль
емкости, используется принцип измерения внутреннего сопротивления аккумулятора и сравнения полученных результатов либо с первоначальными значениями, либо с неким предельным уровнем, после которого дальнейшая
эксплуатация АКБ невозможна. Т.е емкость измеряется весьма условно. Принципиальная схема контроля показана
на рисунке 5
Ключ К периодически подключает к «земле»
сопротивление проверки Rтест. Образуется
делитель между внутренним сопротивлением
аккумулятора Rвн и Rтест, что приводит к
уменьшению контролируемого напряжения Е.
По степени снижения этого напряжения
определяется значение Rвн.
Рис.5
На основании анализа сопротивления принимается решение о снижении емкости. Принципиально метод идентичен
способу ускоренной проверки качества автомобильных аккумуляторов.
6. Напряжение пульсаций. Фактически это переменная составляющая выходного постоянного напряжения. В
линейных источниках она обусловлена недостаточной фильтрацией входного напряжения сети, в импульсных –
выбросами на переключениях силовых ключевых транзисторов. Зависит от тока нагрузки, при этом в линейных
источниках с увеличением тока нагрузки увеличивается, а в
импульсных, как правило, снижается.
Традиционно измеряется в
амплитудных значениях (рис.6) или в
двойных амплитудных значениях. Для
импульсных источников считается
допустимым амплитуда пульсаций 
Рис.6
150 мВ, или двойная амплитуда
пульсаций 300 мВ.
7. Наличие нескольких независимых выходов. Параметр отсутствует в нормативных документах, однако часто
востребован и в большинстве случаев, из-за непонимания сути проблем электропитания аппаратуры.
По порядку: повреждение цепей электропитания может носить характер обрыва или замыкания. Для
предупреждения обрыва достаточно запараллелить провода питания с одного выхода и проблема будет решена.
Теперь о замыкании.
Ситуация 1-я. Рассмотрим схему, показанную на рисунке 6. Предположим, что по одному из выходов нагрузки
произошло замыкание (наиболее распространенный случай). При этом, если источник не может обеспечить
срабатывание элемента защиты по выходу нагрузки, он отключит напряжение по всем своим независимым выходам,
и это произойдет по всем источникам, если в системе электропитания используется несколько ИП для одной
нагрузки.
Ситуация 2-я. В изделии
используется схема
объединения основной и
резервной линии питания в
одну на двух диодах (как
показано на рис.7) и
замыкание происходит в
одной из линии до изделия. В
Рис.6
этом случае, за счет падения
на проводах линии «земли» возникает бросок напряжения, который прикладывается к «-» провода питания. В изделии этот
импульс воспринимается как
помеха, причем весьма
серьезная, амплитуда которой
пропорциональна
сопротивлению проводов, а
длительность – скорости
срабатывания защиты от
замыкания. Далее с частотой
попыток включения
Эквивалентная схема после
закороченного выхода ИП эта
замыкания
помеха будет повторяться.
Ситуация 3-я. В изделии
используется схема
объединения основной и
резервной линии питания в
одну на четырех диодах (как
показано на рис. 8) и
Рис.7
замыкание происхо-дит в
одной из линии до изделия. В этом случае импульс
помехи на аппаратуре не
формируется, однако за счет
потери напряжения на паре
диодов (а это почти 2 В)
значительно сокращается
время работы от АКБ. Т.е,
если у Вас 12-ти вольтовое
Рис.8
изделие с минимальным напряжением питания 10 В после объединения линий питания, то минимальное напряжение на выходе ИП,
при работе от АКБ, когда изделие еще работает, будет не 10,5 В как полагается, а все 12 В. Т.е время работы от АКБ
сокращается почти на 40% и это надо учитывать при выборе емкости аккумуляторных батарей. Ситуация с одним
диодом, конечно, легче, но потеря вольта все равно ощутима (снижение времени работы примерно на 25 %),
особенно для изделий с напряжением питания 12 В.
Существуют и другие схемы объединения линий (на реле, полевых транзисторах), но, во- первых, они горазда
дороже в реализации, и, во- вторых, проектировщик, в любом случае, должен знать минимальное напряжение
питания изделий после этого объединения, чтобы не ошибиться с выбором емкости АКБ.
Таким образом, наличие двух независимых линий питания, как правило, на решает, а чаще усугубляет проблему.
Система электропитания не ограничивается только выбором ИП, c определенным количеством независимых
выходов, а требует комплексного подхода, с учетом особенностей работы подключенной аппаратуры.
8. К.П.Д. Принципиально КПД отличаются для импульсных и линейных источников. У импульсных он, конечно,
больше. В группе импульсных источников отличие КПД на 1 – 2 % практически не существенно, тепловой режим
ИП с более низким к.п.д хуже, но если изготовитель гарантирует его работу, серьезного внимания на этот параметр
обращать не стоит.
9. Корректор коэффициента мощности (ККМ). Устройство, обеспечивающее увеличение коэффициента
мощности, т.е. снижение доли реактивной составляющей в потребляемой мощности. С точки зрения электросети,
если так можно выразиться, нагрузка в виде источника питания, оснащенного ККМ, представляется практически
резистивной. Корректор мощности многими представляется как устройство, обеспечивающее экономию
электроэнергии, однако в применении к ИП они выполняют более важные функции:
- увеличивают диапазон напряжений питания (как правило, ИП, оснащенные ККМ имеют диапазон входных
напряжений питающей сети от 90 до 250 В);
- облегчают режим работы силовой части преобразователя и соответственно повышают его надежность;
- снижают уровень помех, излучаемых в электросеть.
В заключение хочется пожелать всем, кто связан с применением ИП внимательно относиться к этому виду изделий.
Нет смысла в сложных системах и дорогостоящем оборудовании, если в нужный момент оно окажется
обесточенным.