Закінчуємо порівнювати. Пора вже й розбиратися що по чому. Частина 3

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою джерел живлення постійного струму, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Тут, у третій частині нашої серії уроків з джерел харчування для початківців, ми закінчимо порівнянням різних типів джерел живлення, які ми бачили, як лінійних, так і імпульсних, і побачимо переваги та недоліки як імпульсного, так і лінійного джерела живлення.

Дотримуючись стенограми керівництва

Це третина серії веб-семінарів для ентузіастів джерел харчування або любителів, які не обов'язково мають освіту інженерів-електронників.

Наразі було зібрано недороге обладнання для тестування блоків живлення. Вивчили нерегульовані джерела живлення. Тестували різні лінійні регулятори та тестували різні імпульсні регулятори. У цьому розділі ми порівняємо приклади цих різних джерел живлення та розглянемо їх, щоб визначити, який з них найкраще підходить для різних програм.

Програма вивчення блоків живлення

• Порівняння енергоефективності

• Порівняння розсіювання та підвищення температури

• Порівняння пульсацій напруги (кондуктивний шум)

• Порівняння випромінюваного шуму (радіоперешкода)

Існує дуже багато різних типів джерел живлення. Від крихітних систем, що використовують мілліват (мВт) або навіть мікроват (мВт) у таких областях, як так звана область «збирання енергії», до мегават (МВт) у виробництві та розподілі електроенергії. Тому вибір найбільш відповідного пристрою для вашого застосування є важливим кроком під час використання та проектування джерела живлення.

Порівняння ефективності джерел живлення

DUT – тестований пристрій

Input source - Джерело вхідного сигналу

Load – Навантаження

Remember to use kelvin sensing - не забудьте використовувати вимірювання Кельвіна

Незалежно від типу джерела живлення, для точного тестування енергоефективності потрібен один амперметр і один вольтметр для входу вашого джерела живлення, а потім ще один амперметр і ще один вольтметр для кожного виходу. Для ланцюгів з дуже низькою потужністю, зазвичай менше однієї десятої вата (1/10 Вт або 0,1 Вт), необхідне спеціальне обладнання, оскільки амперметр і вольтметр завжди споживають деяку потужність і можуть спотворити результати вимірів.

Зупинимося на блоках живлення вихідною потужністю не менше одного вата, тому що в моєму (автора статті) списку доступних пристроїв, про які я говорив у першій частині, точно не входить та спецтехніка.

Під визначенням Кельвіна розуміється вимірювання вхідної та вихідної напруги безпосередньо на входах та виходах вашого джерела живлення. На демонстраційних платах, які використовувалися, для цієї мети завжди є контрольні точки поруч із вхідними конденсаторами, а також вихідними конденсаторами.

Якщо ви використовуєте показання напруги лабораторного джерела живлення або впевнені, що блок ATX видає рівно 12 або 5 В, ваші вимірювання будуть неправильними, оскільки напруга втрачається через резистивне падіння в з'єднувальних кабелях. У самому амперметрі також використовується послідовний резистор, і там також втрачається деяка напруга.

Для першого експерименту щодо підвищення ефективності повернемося до нерегульованого джерела живлення. Він використовується із джерелом лінійного струму, розрахованим на струм 500 мА. Один мультиметр вимірює вхідний струм (IIN), а інший мультиметр вимірює вхідну напругу (VIN).

При включенні вхідний сигнал споживає 30,8 мА при середньоквадратичній напрузі 226, і тепер поміняємо ситуацію і подивимося на вихідний струм (IOUT) і вихідну напругу (VOUT).

Та ж схема, але тепер, коли вона вмикається, необхідно виміряти вихідний струм 510 мА та вихідну напругу 6,2 мА. Пам'ятайте, що це напіврегульована схема. Насправді, якби ми збиралися розрахувати безліч точок ефективності, ми б варіювали навантаження. Однак це лінійне джерело струму насправді є логарифмічним у тому сенсі, як воно регулюється за допомогою цього потенціометра, що трохи ускладнює завдання.

Зараз повторимо експеримент, але замість нерегульованого джерела живлення використовуємо імпульсне регульоване джерело живлення. Це вихідний струм та вихідна напруга і коли джерело вмикається, знову 510 мА. Але насправді прилад не так добре відрегульований, як очікувалося, оскільки його напруга 6,5 В, а тут насправді 7,07 В. Однак ми можемо взяти ці дві точки даних і побудувати графік ефективності.

Зараз перевіримо вхідний струм та вхідну напругу нашого імпульсного джерела живлення постійного струму, і ми вже бачимо, що вхідний струм набагато нижчий, тоді як вхідна напруга майже така сама. Отже, ми знаємо, що ефективність буде набагато вищою, і тепер у нас є ще дві точки даних, тому давайте продовжимо і порахуємо.

Порівняння розсіювання та підвищення температури

Use linear when possible, otherwise switch, switch, switch - використовуйте лінійні лінії, коли можливо, інакше перемикайтеся, перемикайтеся, перемикайтеся

На попередніх слайдах і відеороликах ми бачили, що імпульсні регулятори здебільшого значно ефективніші, ніж лінійні регулятори. Тому не дивно, що лінійні регулятори, що використовуються в однакових умовах VIN, VOUT та IOUT, розсіюють набагато більше потужності, а їх компоненти нагріваються набагато сильніше, ніж еквівалентні стабілізатори імпульсні.

Тим не менш, низький електричний шум, простота і низька вартість NPN-регуляторів і LDO (регуляторів з низьким падінням напруги) роблять їх кращим вибором, коли їх використання є доцільним.

Критерії такі:

• № 1 – VOUT < VIN(min) (мінімальна вхідна напруга)

• №2 – VOUT не є негативним по відношенню до VIN.

• №3 – VOUT не ізольований від VIN для безпеки або зниження шуму.

• № 4 – (VIN(макс) – VOUT)*IOUT(макс) менше 1 Вт

Це передбачає, що у вас немає місця або бюджету для радіатора (тобто пристрій або речовина для поглинання надлишкового або небажаного тепла) і, на мій досвід, на радіатори дійсно є місце або гроші. Можливо, вас здивує той факт, що багато радіаторів, здатних розсіювати більше одного вата, коштують дорожче, ніж мікросхема керування блоком живлення.

Говорячи про нагріванні, є синхронний знижуючий перетворювач. Ймовірно, це найефективніший із усіх імпульсних перетворювачів потужності, його потужність становить близько 27 або 28 Вт. Він запитується від 12 Вольт від блока живлення ATX. Вихідна напруга майже дорівнює 5, вихідний струм близько 5,5 А, і це завдяки групі потужних резисторів, загальний опір яких становить трохи менше 1 Ом.

Для розуміння температура навколишнього середовища в кімнаті знаходиться десь між 27 і 28 градусами Цельсія. Один із силових резисторів дуже гарячий, близько 50°C. Треба враховувати це, тому що все, що вище 50 ° C, неприємно на дотик.

Якщо почати вимірювати температуру деяких силових компонентів, перемикаючий МОП-транзистор стане гарячим компонентом, і його температура ледве перевищує 30°C. Це синхронний силовий МОП-транзистор, трохи холодніший за 29°C.

Силовий індуктор є елементом, який може сильно нагріватися, ледве перевищуючи 30°C. Останнє, що ми будемо вимірювати, — це алюмінієвий вхідний електролітичний конденсатор, який майже не нагрівається. Це означає, що він повинен мати тривалий термін служби.

Якщо ви дивилися розділ про лінійні регулятори, то пам'ятайте, що цей дискретний лінійний регулятор (показана друкована плата) має великий-великий радіатор, мікросхему, що управляє, і дискретний силовий транзистор. Отже, ми порівняємо це зі знижуючим перетворювачем, який ми щойно зробили.

Синій мультиметр – це вихідний струм (IOUT), а помаранчевий мультиметр – вихідна напруга (VOUT), тому насправді навантаження тут, загальний опір якого становить 1 Ом, споживає такий великий струм, що насправді тут він трохи знижується до вихідної напруги . Але це все одно добрий тепловий тест, температура навколишнього середовища тут близько 27°C. Єдине, що справді має значення в лінійному регуляторі, це сам чіп, який в даному випадку є дискретним прохідним елементом.

Якщо я прикріплю до нього датчик температури, він буде приємним і гарячим, ймовірно, вище за 100°C. У мене кінчик термопари знаходиться прямо на стику радіатора та виведення цього дискретного силового МОП-транзистора. Різниця величезна, але пам'ятайте, що жоден з компонентів понижуючого регулятора не повинен мати температуру вище 31 або 32 ° C або близько того. Я вимкну його, тому що він перегрівається.

Порівняння вхідних та вихідних пульсацій

Buck input voltage ripple- Пульсації вхідної напруги

LDO input voltage ripple - Пульсації вхідної напруги LDO

Sensitive loads many need a hybrid solution - Чутливі навантаження здебільшого вимагають гібридного рішення

Лінійні регулятори, без сумніву, перевершують імпульсні регулятори, коли йдеться про низький рівень шуму, що проводить. Це стосується їх вхідних даних, які ми бачимо тут у верхній частині екрана, і на них можуть поширюватися законодавчі обмеження, а також їх вихідні дані, які часто чутливі до шуму. Наприклад, більшість цифрових схем чутливі до шуму певних частот.

Три способи зменшити пульсації напруги, коли потужність, що розсіюється, або перетворення напруги змушують вас використовувати перемикач:

• №1 – ретельно вибирайте топологію вашого імпульсного регулятора. Пам'ятайте, що регулятори, що знижують, більш шумні на входах, ніж на виході, а регулятори, що підвищують, - навпаки. Інвертують підвищувально-знижувальні регулятори і зворотноходові регулятори шумлять на обох кінцях. Але це ціна, яку доводиться платити за збільшення чи зменшення вихідної напруги.

• №2 – Додати вихідний фільтр нижніх частот. Зазвичай фільтр складається з котушки індуктивності та конденсатора (LC-фільтр). Фільтри завжди низькочастотні, тому що вам потрібен чистий постійний струм, а шум за своєю природою - змінний струм.

• №3 – Використовуйте імпульсний регулятор, щоб підібратися дуже близько, але трохи вище за бажане значення VOUT, а потім використовуйте LDO як так званий «пост-регулятор». Це зводить до мінімуму потужність, що розсіюється, в LDO і робить вихідну напругу дуже плавною.

Щоб порівняти пульсації напруги джерела живлення, я маю знижувальний стабілізатор зліва і мій LDO з дискретним силовим транзистором праворуч. Кожен з них використовує +12 від блоку живлення ATX. Кожен з них має однакове навантаження, два потужні резистори опором 8 Ом, включених паралельно, що в сумі становить навантаження 4 Ом, і на попередньому слайді ви бачили пульсації вхідної напруги.

Порівняння пульсацій вихідного сигналу регулятора

Тепер ми використовуємо осцилограф для вимірювання двох пульсацій вихідної напруги. Знову ж, вихідна напруга 5 для LDO і вихідна напруга 5 для понижуючого регулятора. Якщо ми подивимося на осцилограф, пульсації регулятора, що знижує, будуть жовтими, а пульсації LDO - синіми.

На перший погляд ви можете сказати, що вони виглядають майже однаково, але більшість пульсацій, які ми бачимо синім кольором, є результатом шумового зв'язку з понижувальним перетворювачем. Якщо ми витягнемо пробник, ми побачимо, що шум LDO набагато нижче.

Порівняння випромінюваного шуму

Does my radio still work? – Моє радіо ще працює?

Лінійні регулятори також випромінюють набагато менше шуму, ніж стабілізатор імпульсний, навіть якщо комутатор обробляє набагато меншу потужність. Коли я проектую джерела живлення, на проектування фільтрів і схем зниження електромагнітного шуму зазвичай йде стільки часу або більше, скільки на проектування самого комутатора.

Якщо ви знаєте когось, хто здавав свій продукт на випробування в лабораторіях UL у США або на випробування CE в Європі, то у них можуть бути історії про те, як вони витратили дні на виправлення методом проб та помилок кондуктивного або що більш поширене , що випромінюється шуму, що виходить за межі. Це ще одна причина, через яку я використовую лінійні регулятори щоразу, коли можу.

Щоб продемонструвати електромагнітні перешкоди (EMI), я маю радіоприймач AM (амплітудно-модульований), налаштований приблизно на 600 кГц, що знаходиться в діапазоні частоти перемикання цього понижуючого регулятора. Зараз він не включений, і ми можемо слухати розмовне радіо іспанською мовою. Коли я вмикаю схему, звичайно ж, з'являється шум. Коли я підношу радіоприймач ближче до джерела, тобто до комутаційного вузла та індуктора, то більше перешкод ми чуємо.

Ще раз для тесту на електромагнітні перешкоди я налаштував AM-радіо приблизно на 600 кГц або близько того, і раніше ми бачили за допомогою понижувального регулятора, що, як тільки я увімкнув його, ми не почули нічого, крім статичного шуму. Коли я вмикаю лінійний регулятор, ми отримуємо приблизно однакову вихідну потужність, але, незважаючи на невеликі перешкоди, ми чудово чуємо AM-радіо, навіть якщо наблизимося до джерела живлення, і це Принадність лінійних регуляторів у тому, що шум, що випромінюється, дуже малий.

Ще один тест. Зараз у мене таке радіо, але тепер воно налаштоване на FM (частотно-модульований) 92 МГц і звучить добре. Якщо я піднесу антену близько, перешкоди почнуться знову. Це відбувається тому, що імпульсний інвертор працює не тільки на частоті від 400 кГц до 1 МГц, але і має багато гармонік, а також високочастотний шум. Вони розширюють та заважають роботі FM-діапазону.

Тепер ми маємо намір протестувати лінійний регулятор. У мене є FM-радіо, і коли антена закрита, я вмикаю його, але потрібно діяти швидко, тому що воно стає дуже гарячим, як ви можете бачити, воно споживає тут великий струм і напруга, і що б я не робив, ми може продовжувати слухати іспанське радіо.

На цьому завершується частина 3 про джерела харчування для країн, які не належать до EE. На даний момент це останній урок із цієї серії, і мені було дуже приємно створювати ці статті та відео. Від себе та від імені сайту Electronics-tutorials.ws я щиро сподіваюся, що ви чогось навчилися, і ще раз дякую за увагу.

Кінець транскрипції.

Ви можете знайти додаткову інформацію та відмінний посібник про різні типи блоків живлення, перейшовши за цим посиланням: https://www.electronics-tutorials.ws/power/switch-mode-power-supply.html

Магазин Gtest® - офіційний постачальник джерел (блоків) живлення постійного струму в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnee-pribory/bloky-pitaniya