Типовые применения лабораторного источника питания

Источники питания применяются как для повседневных задач радиолюбителя, так и для точных производственных испытаний и измерений. Область применения источников питания обширна и связана с электроникой и радиотехникой. Типовые сферы использования:

• Ремонт и производство радиоэлектроники.
• Тестирование электронных устройств и схем, контрольно-измерительного оборудования, контроль качества элементов радиотехники.
• Проектирование и испытание радиоэлектронной аппаратуры на производстве, при конструировании.
• Моделирование электрических и физических процессов, для эмуляции работы того или иного оборудования.
• Использование в качестве источников питания.
• Для проведения лабораторных работ в учебном процессе.

	Полное представление о задачах, для которых необходимо приобрести лабораторный источник питания поможет конкретизировать поиск и выбор оптимальной модели прибора.
Клиенты Суперайс могут выбрать в каталоге подходящую модель стабилизированного источника питания. В каталоге представлено более 140 моделей, каждый из образцов обладает определёнными преимуществами при решении конкретных задач.

При выборе руководствуются:

• рабочими параметрами;
• наличием защитных функций;
• мощностью и количеством выходных каналов;
• размерами;
• стоимостью прибора.

Рассмотрим подробнее основные технические характеристики источников питания, характеризующие эффективность устройства.

Основные рабочие характеристики

Состояние выходных характеристик при регулировании нагрузки отличается нестабильностью параметров тока и напряжения при необходимости изменить нагрузку тестируемого оборудования. На какие характеристики обращают внимание при выборе:

1. Нестабильность тока и напряжения питающей сети при изменении переменного тока. Погрешность задания выходных величин, качество измерения в соответствии с вольт-амперной характеристикой.
2. Погрешность измерений – качество измеренных значений, схожих с вольт-амперной характеристикой.
3. Разрешение – шаг установки тока и напряжения на выходе, которые могут быть заданы.
4. Шумность. Шум в синфазном режиме и нормальный уровень шума.
5. Переходные характеристики: время перехода к начальным заданным показателям после изменения тока потребителя.
6. Компенсация потерь при подключении по 4-х проводной схеме для управления элементами, регулирующими выходное напряжение при использовании измерительных проводов для компенсации потерь в питающей сети. К напряжению на выходе из источника добавляется напряжение, которое равно разности потенциалов между общими проводниками, основным и плавающим.
7. Интерфейсы управления.

Грубая и точная регулировка, минимальный уровень шума, повышенные возможности при подключении смогут обеспечить оптимальный выбор прибора.

Время реакции на изменение нагрузки

Этот параметр определяет, насколько быстро ИП реагирует на изменение нагрузки или скачки электротока. Если выходной ток быстро изменяется в широком диапазоне значений, выходное напряжение также начинает с высокой скоростью уменьшаться или увеличиваться. Время, которое необходимо устройству для стабилизации характеристик, называется временем реакции (или отклика) на изменение нагрузки. Из-за использования обратной связи в топологии для контроля выходного напряжения, импульсные ИП отличаются сравнительно медленной реакцией.

Чтобы обезопасить тестируемые устройства от сильных перегрузок, рекомендуется применять предварительную нагрузку. Она подключается параллельно с испытываемым прибором и ограничивает скачки напряжения. У современных импульсных источников питания время отклика составляет 40-80 мкс, а у линейных — до 1 мкс.

Стабилизированные ИП по характеру стабилизации: линейные и импульсные

Главный признак, характеризующий блок питания – это принцип его работы. Стабилизированные источники вторичного питания на полупроводниковых элементах по характеру стабилизации напряжения делятся на источники с непрерывным (линейным) и импульсным регулированием.

Основа линейного БП – понижающий низкочастотный трансформатор: изменяет напряжение сети до значения в несколько десятков вольт. Выпрямление напряжения производится за счет диодного моста сглаживанием синусоиды конденсаторами и заданием требуемого значения стабилизатором. Пример популярного линейного блока питания: трансформаторный БП с одним каналом YIHUA YH-305D (30 В, 5 А), эта модель способна выдавать мощность до 150 Вт.

Рисунок 1. Трансформаторный ИВЭП с одним каналом YIHUA-305D

Главное в импульсном ИП – это конденсаторы со сглаживающим зарядом и импульсами тока, сформированными трансформаторной обмоткой или индуктивностью. В работе задействованы транзисторы. Частота формирования токовых импульсов. Напряжение регулируется глубиной ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Пример мощного импульсного одноканального блока питания – MAISHENG MP3030D (30 В, 30 А).

Рисунок 2. Импульсный источник питания MAISHENG MP3030D с максимальный выходным напряжением 30 В и током 30 А

Более подробно о сравнении импульсных и линейных ИП мы уже написали в статье: Устройство, схемы и сравнение импульсных и линейных лабораторных блоков питания.

На какие особенности регулируемых блоков питания обращать внимание

Диапазон изменения тока и напряжения

Лабораторные настольные источники питания различаются пределами изменения выходных напряжений и тока. Различают два типа приборов, те, которые работают с фиксированными значениями и работающие с автоматическим ограничением мощности на выходе.

Фиксированным диапазоном отличаются ЛБП эконом-класса. Устройства выдают комбинацию напряжения и тока наибольшего значения по максимуму. Например, блок питания с одним каналом на напряжение 30 В и токе 10 А может поддерживать нагрузку (ток) неизменной долгое время при том же напряжении. Мощность составит U x I; 30 х 10 = 300 Вт. Однако, с таким напряжением и током невозможно установить другие большие значения тока и напряжения.

Автоматический выбор выходной мощности с ограничением пределов характерен для функциональных ЛБП с высокой точностью и дискретностью измерения выходного тока, достаточного для отладки любых, в том числе и маломощных устройств с батарейками. Такие блоки могут выдавать комбинации тока и напряжения в пределах мощности, на которую рассчитан прибор. Приборы относятся к универсальной категории устройств.

На габаритные размеры, вес и стоимость источники питания постоянного тока или напряжения влияет максимальная мощность, а не ток и не напряжение. Значит, надо выбирать устройство с автоматическим ограничением мощности на выходе.

Число каналов

Мощные ЛБП от 500 Вт, по большей части, одноканальные. Иногда возникает вопрос, а можно ли объединить в последовательную цепь несколько импульсных БП с одним каналом. Что для этого учитывают:

1. Различие частот создает пульсации и шумность. Существует возможность возникновения резонансных факторов, при их наличии пульсация возрастает.
2. Формирование значений биполярного напряжения для подключения к сети питания транзисторных усилителей.
3. Сложность включения в одну цепь одновременно и синхронизация регулировки напряжений двух и более разных приборов. При объединении в одну цепь двух лабораторных БП «+» и «-» должны быть синхронизированы.
4. Последовательное соединение источников высокого напряжения сопряжено с вероятностью пробоя изоляции, что иногда приводит к короткому замыканию и возгоранию.

Рисунок 3. Последовательное соединение блоков питания, схема

Поэтому, для схемы где имеется возможность применить несколько напряжений питания сети лучше всего использовать двух- или трехканальные стабилизированные блоки питания.

Пример многофункционального одноканального блока питания Korad KA3005D (30 В, 5 А) линейного типа, используемого для последовательного соединения в цепь. Прибор используется для промышленного производства и научных исследований. Выполняет измерение параметров питания и стабилизацию постоянного режима тока и напряжения во время технологических процессов. Прибор отличается:

• небольшим коэффициентом искажения;
• малыми пульсациями;
• регулировкой выходных характеристик;
• возможностью отключения потребителя в аварийном режиме; невысоким уровнем шума;
• цифровым управлением с возможностью задания выходных параметров на лицевой панели; сохранением в памяти установленных режимов для различных потребителей.

Для справки: Параллельное соединение ИП с разными напряжениями чревато тем, что один из двух источников с большими пределами по мощности будет работать вполсилы. При подключении устройств с характеристиками 15 В / 30 А и 30 В / 30 А на выходе получатся значения 15 В / 60 А. Блок питания на 30 В будет выдавать всего 15 В. Не допускается подключать БП с разными токами, при КЗ мощный БП может вывести из строя более слабый.

Изоляция выходных каналов

Электрическая или как ее правильно называют гальваническая изоляция – это гарантия независимости напряжения и тока одного канала от других. Изоляция защищает канал от замыкания на землю и между другим каналом, защищает от электрического пробоя.

Гальваническая изоляция каналов предупреждает пробой напряжения между рядом расположенными каналами, значение которого может превысить 220 В. Она нужна для электронного оборудования, в котором присутствуют аналоговая и цифровая части. Служит для понижения шума чувствительной цифровой шины питания в аналоговую часть.

Трёхканальные лабораторный источник питания постоянного тока обладают следующим преимуществом. Устройство позволит запитать аналоговую часть схемы от двух каналов, используя двухполюсное питание, а питание от третьего канала приходит на цифровую часть. Пример 3-х канального импульсного источника питания постоянного тока – UNI-T UTP3305. Трансформаторный источник с тремя каналами – Atten (Gratten) APS3005S-3D. Гальваническая изоляция надежно защищает целостность каналов.

Требования к мощности и числу выходов

Главный вопрос, который задают при выборе стабилизированного источника питания: какая мощность потребуется, какие приборы вам придется испытывать? Сколько мощности будут потреблять испытуемые устройства?

По величине рабочей мощности источника питания выделяют обычные со стандартным и высоким значением мощности до 500 Вт и высокомощные, которые работают с величинами более 700 Вт. Отличие моделей заключается в функциональности и сфере использования.

Модели ЛБП средней мощности MAISHENG MS3010D и QJE PS3010N обеспечат регулировку оборудования в пределах до 300 Вт. Подробно о конструкции мы рассказали в видеообзоре: ИП с импульсным регулированием китайского производителя MAISHENG. Там мы нагружали популярные модели на полную и смотрели их начинку и схемотехнику!

Рисунок 4. Лабораторный блок питания постоянного тока для отладки радиолюбительских устройств с возможностью регулирования напряжения на выходе до 30 В и тока до 10 А. Режим измерения тока импульсным блоком питания.

Пример управляемого импульсного блока питания малой мощности MCH K305DN (30 В, 5 А). Регулировка выполняется потенциометрами на лицевой панели, напряжение до 31 В и тока до 5 А, который держит в течение 30 минут спокойно. Отличается большим КПД, малым весом и размерами.

Образцы с большой мощностью только одноканальные и только импульсные. Пример, MAISHENG MP1560D (15 В, 60 А), устройство выдает стабильное напряжение без помех 15 В и ток до 60 А, используется в лабораторных исследованиях и для ремонта электроники.

Образцы с мощностью до 3 кВ применяются в качестве приборов для стоек управления. Модели более 3 кВ, например, MAISHENG MP15030D (150 В, 30 А) с выходной мощностью 4,5 кВ применяются в промышленных стойках, так как имеют большой вес 9500 г и размеры 380 х 260 х 160 мм. Данные одноканальные ИБП обладают более высокими выходными характеристиками.

Для справки: Если БП нужны для стабилизации тока для повышения его значения при зарядке аккумуляторов, то алгоритм зарядки следующий. Вначале ток растет, а потом зарядка происходит в режиме минимальный ток – максимальный ток. Повышение нагрузки вызывает вывод одного блока на максимальный ток, а затем другого. Зарядка аккумуляторов профессиональными блоками питания, представленными в Суперайс производится как отдельно, так и в связке, не важно находятся устройства под нагрузкой или нет.

Конструкция лабораторных ИП большой мощности оборудована защитными устройствами, к которым относятся вентиляторы охлаждения, включающиеся при повышении температуры. Набор защит от перегрузки, повышения температуры, смены полярности.

Для увеличения выходной мощности предусмотрена возможность параллельного подключения нескольких приборов.

Для мощных блоков питания существует возможность удаленного программного управления через разнообразные интерфейсы Ethernet, IEEE-488.2 (GPIB) и другие, используемые в комплекте с автоматизированными комплексами.

Мощные ЛБП применяются в автопроме и альтернативной энергетике для регулирования собственного выходного сопротивления до нескольких Ом, что может пригодиться во время имитации работы аккумуляторных и солнечных батарей.

Защитные функции

Неправильное применение блока питания, подача повышенного напряжения или тока может представлять угрозу тестируемому оборудованию. Для того, чтобы этого не случилось, лабораторные источники питания обеспечиваются защитными функциями:

1. Превышение тока на выходе, скачки случаются при кз или повышении нагрузки. Защита характеризуется быстротой срабатывания, отключает устройство от тестируемой нагрузки, ограничивает и стабилизирует ток, сохраняя первоначальную величину. Функции защиты можно отключать.
2. Перенапряжение. Защита устанавливается при повышении выходного напряжения во время стабилизации тока, ограничивает напряжение выхода в безопасном режиме для подключенной нагрузки.
3. Перегруз по мощности. Функция ограничивает мощность, нормализует работу силовых элементов схемы БП.
4. Перегрев устройства и конструктивных элементов. Защита срабатывает при увеличении температуры в точках наибольшего выделения тепла.

Форма выходного сигнала

Основная задача ЛБП – это формирование стабильного постоянного напряжения даже при изменении тока нагрузки. В быту и промышленности к потребителю поступает напряжение только с чистой синусоидой. Однако при использовании импульсного блока, во время замены переменного напряжения 220 В на постоянное для подключения электроники, синус, то есть форма напряжения меняется. Также в режиме стабилизации тока БП подает потребителю постоянный ток. Блоки питания оборудуются «Режимом изменения выходного напряжения по списку заданных значений». С этим режимом можно испытывать оборудование, подавая на него не идеальные сигналы со скачками, пульсациями и перерывами в напряжении, спадом и нарастаниями.

Ручное или программируемое управление

Работа программируемого источника питания постоянного тока основана на работе компьютерной программы, которая демонстрирует характеристики и настройки. Кроме этого, программа подразумевает включение нескольких ЛБП в измерительный комплекс.

Пример популярных программируемых блоков питания: трансформаторный Korad KA6005P и Rigol DP711 оба устройства с одним каналом. Отличаются надежностью и наибольшей востребованностью среди радиолюбителей трехканальные модели Korad KA3305P и OWON ODP3032.

Рисунок 5. Программируемый стабилизированный источники питания радиоаппаратуры Korad KA3305P

Особое внимание радиолюбителей и профессионалов обращаем на прецизионный блок питания со стабилизацией по всем параметрам Rigol DP832A. Выходная мощность до 195 Вт. Регулируемое напряжение по двум каналам 30 В и от 0 до 5 В по третьему каналу. Регулируемый ток до 3 А. Блок защищен от малейших выбросов тока на выходах с каждого канала, высоким КПД до 80% и коэффициентом падения напряжения и тока при стабилизации, не превышающей 0,01%.

К программируемым БП относятся многоканальные источники питания переменного и постоянного тока, которые входят в категорию интеллектуальных устройств. 

Дополнительная возможность: компенсация падения напряжения в проводах соединения

Условие достигается наличием USB-интерфейса для управления источником питания с удаленного места. Также, использование буферной схемы, формирующей «плавающий» провод типа повторителя напряжения, где напряжение на выходе соответствует падению напряжения на минусовом (обратном) проводе.

Возможность параллельного и последовательного подключения ИП

Параллельное подключение источников электропитания обеспечивает увеличение выходного электротока. Многие ИП оснащены специализированной параллельной шиной управления. Она позволяет создавать единую конфигурацию из нескольких источников. Система автоматически определяет, какие устройства являются ведущими, а какие ведомыми.

Последовательное подключение источников питания используется, если необходимо увеличение напряжения. При этом оно не должно превышать электрическую прочность изоляции выходных клемм.

Использование лабораторного блока питания для ремонта мобильных телефонов и ноутбуков

Для мастерских по ремонту мобильных телефонов, нужен БП с напряжением выхода до 15 В и значением тока от 1 А и выше.

Оценка неисправности мобильного телефона в 80% случаев основана на вычислении неисправности по току нагрузки. Телефон через набор съёмных концов подключается от ЛБП. От источника питания можно подключить любой телефон, даже с разряженной батареей. При включении телефона триггером PWR каждый этап загрузки демонстрируется амперметром, который показывает последовательность включения относительно потребления тока. Благодаря этому по току можно определить неисправный компонент телефона.

Скорость изменения выходного напряжения

Это важный параметр, который имеет большое значение в сфере тестирования электроприборов. При испытаниях на аппаратуру подаются различные напряжения для проверки ее правильного функционирования в пределах рабочего диапазона. Чем быстрее источник питания реагирует на изменение настроек, тем выше производительность тестирования. В стандартных устройствах время установки выходного напряжения с точностью до 1% составляет в среднем 50-500 мс. Существуют специальные схемы регулируемых источников питания постоянного тока, которые позволяют уменьшить данный показатель до 1-4 мс.