Краткое вступление

На рынке лабораторных блоков питания предлагается множество серий от различных производителей. Одни модели привлекают низкой ценой, другие внушительным видом передней панели, третьи разнообразием функций. Поэтому правильный выбор такого распространённого прибора становится непростой задачей. При этом тщательное сравнение характеристик и возможностей моделей различных производителей может не дать ответа на главный вопрос: какой лабораторный блок питания выбрать для моих задач?

В этой статье, полагаясь на свой опыт работы, мы расскажем о простых критериях выбора оптимального лабораторного блока питания, их разновидностях, отличиях и преимуществах. После этого, мы рассмотрим несколько типовых задач и предложим для каждой из них модели блоков питания, выбрав которые Вы сможете эффективно работать и сбережёте свои деньги, время и нервы.

Разновидности лабораторных блоков питания

Для начала, давайте разберёмся с существующими названиями. Чем отличается лабораторный блок питания от просто блока питания? Или в чём отличие блока питания от источника питания? Вот простые определения:

1. Лабораторным блоком питания называют прибор, который предназначен для формирования регулируемого напряжения или тока по одному или нескольким каналам. Лабораторный блок питания содержит дисплей, элементы управления, защиту от неправильного использования, а также полезные дополнительные функции. Весь материал на этой странице посвящён именно таким приборам.
2. Лабораторный источник питания - это то же самое, что и лабораторный блок питания.
3. Просто блоком питания называют электронное устройство, которое предназначено для формирования заранее заданного напряжения по одному или нескольким каналам. Блок питания, как правило, не имеет дисплея и кнопок управления. Типичный пример - это компьютерный блок питания на несколько сотен ватт.
4. Источники питания бывают двух типов: первичные источники питания и вторичные источники питания. Первичные источники электропитания преобразуют неэлектрические виды энергии в электрическую. Примеры первичных источников: электрическая батарейка, солнечная батарея, ветрогенератор и другие. Вторичные источники электропитания преобразуют один вид электрической энергии в другой для обеспечения необходимых параметров напряжения, тока, частоты, пульсаций и т.д. Примеры вторичных источников питания: трансформатор, AC/DC преобразователь (например, компьютерный блок питания), DC/DC преобразователь, стабилизатор напряжения и т.д. Кстати, лабораторный блок питания - это одна из разновидностей вторичного источника электропитания.

Теперь подробно обсудим разновидности и главные характеристики лабораторных блоков питания:
1. По принципу работы : линейные или импульсные.
2. Диапазон напряжения и тока : фиксированный или с автоматическим ограничением мощности.
3. Количество каналов : одноканальные или многоканальные.
4. Изоляция каналов : с гальванически изолированными каналами или с неизолированными.
5. По мощности : стандартные или большой мощности.
6. Наличие защиты : от перегрузки по напряжению, по току, от перегрева и другие.
7. Форма выходного сигнала : постоянное напряжение и ток или переменное напряжение и ток.
8. Варианты управления : только ручное управление или ручное плюс программное управление.
9. Дополнительные функции : компенсация падения напряжения в проводах подключения, встроенный прецизионный мультиметр, изменение выхода по списку заданных значений, активация выхода по таймеру, имитация аккумулятора с заданным внутренним сопротивлением, встроенная электронная нагрузка и другие.
10. Надёжность : качество элементной базы, продуманность дизайна, тщательность выходного контроля.

Рассмотрим каждую из этих характеристик подробнее, поскольку все они важны для правильного и обоснованного выбора лабораторного блока питания.

Принцип работы: линейный и импульсный

Линейный блок питания (его ещё называют трансформаторный блок питания) строится на базе большого низкочастотного трансформатора, который понижает входное напряжение 220 В, 50 Гц до нескольких десятков вольт с частотой также 50 Гц. После этого, пониженное синусоидальное напряжение выпрямляется с помощью диодного моста, сглаживается группой конденсаторов и понижается линейным транзисторным стабилизатором до заданного уровня. Достоинство такого принципа работы в отсутствии высокочастотных переключающих элементов. Выходное напряжение линейного источника питания точное, стабильное и не содержит высокочастотных пульсаций. На этой фотографии показана внутренняя конструкция линейного лабораторного блока питания ITECH IT6833 , на которой цифрами отмечены: главный трансформатор (1) и сглаживающие конденсаторы (2).

Основные элементы линейного лабораторного блока питания IT6833 с макс. мощностью 216 Вт.

2 - группа сглаживающих конденсаторов.

Однако, у линейного блока питания есть немало недостатков. Основной из них - большие потери энергии на транзисторном стабилизаторе, который преобразует в тепло всё избыточное напряжение, поступающее на него со схемы выпрямления. Например, если выходное напряжение блока питания установлено равным 5 В, а выпрямленное напряжение вторичной обмотки равно 25 В, то на транзисторном стабилизаторе будет рассеиваться в 4 раза больше мощности, чем будет поступать в нагрузку. То есть, у линейного блока питания низкий коэффициент полезного действия (КПД), обычно менее 60%. Как следствие низкого КПД, получаем небольшую полезную мощность и повышенную массу. Для улучшения ситуации, в реальных приборах используется несколько вторичных обмоток трансформатора, но полностью проблему низкого КПД это всё равно не решает.

Поэтому серийно выпускаемые линейные лабораторные блоки питания обеспечивают мощность на нагрузке до 200 Вт при массе прибора от 5 до 10 кг. Есть ещё две проблемы, про которые редко говорят. Хотя сам линейный блок питания не создаёт высокочастотных помех, они всё равно легко могут проникать из сети питания 220 В через емкостную связь первичной и вторичной обмоток главного трансформатора. В дорогих моделях применяют конструктивные решения для борьбы с этим эффектом, например ферритовые фильтры, но помехи из сети питания всё равно могут появиться на выходе прибора и про эту особенность надо помнить. Если Вам необходимо максимально чистое постоянное напряжение, то есть смысл использовать дополнительный качественный сетевой фильтр перед лабораторным блоком питания. Вторая проблема - это деградация (высыхание) группы сглаживающих конденсаторов, особенно в дешёвых моделях. При значительном снижении ёмкости группы сглаживающих конденсаторов, на выходе блока питания появятся провалы напряжения с частотой 100 Гц.

Импульсный блок питания основан на принципе заряда сглаживающих конденсаторов импульсами тока. Импульсы тока формируются с помощью подключения и отключения индуктивного элемента, в качестве которого может выступать обмотка трансформатора или отдельный индуктивный компонент. Переключение выполняется с помощью транзисторов, специально оптимизированных для этой цели. Частота формируемых таким образом импульсов тока обычно находится в пределах от десятков кГц до сотен кГц. Регулировка выходного напряжения чаще всего выполняется изменением глубины широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Существует много вариантов реализации этого принципа, но все они обеспечивают два главных преимущества. Первое - это высокий КПД, обычно более 80%, иногда более 90%. Высокий КПД достигается за счёт того, что глубину ШИМ можно очень плавно изменять, а значит в сглаживающие конденсаторы можно закачивать ровно столько энергии, сколько потребляет нагрузка блока питания. Второе преимущество - небольшие размеры и маленькая масса. Высокая частота, на которой работает импульсный блок питания, позволяет использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости (если сравнивать с линейным блоком питания на 50 Гц). Остальные элементы также значительно компактнее и легче, а высокий КПД снижает выделяемое внутри блока питания тепло, что также уменьшает размеры конструкции.

На этой фотографии показана внутренняя конструкция импульсного лабораторного блока питания ITECH IT6942A , на которой цифрами отмечены: главный трансформатор (1) и импульсный преобразователь (2). Обратите внимание, что корпус этого прибора точно такого же размера как у линейной модели на предыдущей фотографии, а мощность в 1,7 раза выше.

Основные элементы импульсного лабораторного блока питания IT6942A с макс. мощностью 360 Вт.
1 - входной трансформатор, обеспечивающий понижение напряжения и развязку от сети питания.
2 - импульсный преобразователь, обеспечивающий высокий КПД.

Главный недостаток импульсных блоков питания - это высокочастотные пульсации выходного напряжения. Конечно, их сглаживают, фильтруют, но какой-то уровень пульсаций всё равно остаётся. Причём, чем больше нагружен блок питания, тем больше амплитуда пульсаций. В хороших, качественных импульсных блоках питания удаётся снизить пульсации до уровня 10 - 20 мВ. Второй, не такой очевидный, недостаток - это радиочастотные наводки и их гармоники, источником которых служат периодические импульсы тока, формируемые внутри блока питания. Такие наводки достаточно трудно экранировать. Если Вы работаете с радиочастотными схемами, то используйте линейный блок питания или качественный импульсный, расположенный подальше от радиоустройства, с которым Вы работаете.

Диапазон значений напряжения и тока

У современных лабораторных блоков питания бывает два типа диапазонов выходных напряжений и токов: фиксированный и с автоматическим ограничением выходной мощности.

Фиксированный диапазон встречается у большинства недорогих лабораторных блоков питания. Такие блоки питания могут выдать любую комбинацию напряжения и тока в пределах своих максимальных значений. Например, одноканальный лабораторный блок питания на 40 В и 15 А может поддерживать на нагрузке напряжение 40 Вольт даже при токе потребления 15 Ампер. При этом, потребляемая нагрузкой мощность составит: 40 В * 15 А = 600 Вт. Всё просто и понятно, но с таким прибором Вы не сможете установить напряжение больше 40 В и ток больше 15 А.

Автоматическое ограничение выходной мощности существенно расширяет диапазон лабораторного блока питания по напряжению и току. Например, модель ITECH IT6952A с такой же максимальной мощностью 600 Вт, может формировать напряжение до 60 В и ток до 25 А в любых комбинациях, при которых выходная мощность ограничена значением 600 Вт. Это значит, что Вы сможете выдать в нагрузку не только 40 В при токе 15 А, а также 60 В при токе 10 А, 24 В при токе 25 А и много других комбинаций. Если сравнивать с лабораторным блоком питания на 600 Вт с фиксированным диапазоном, то очевидно, что лабораторный блок питания с автоматическим ограничением выходной мощности значительно универсальнее и может заменить несколько более простых приборов. На этом рисунке показан диапазон возможных напряжений и токов, которые обеспечивает модель ITECH IT6952A.

Поскольку размеры, масса и цена лабораторного блока питания в основном зависят не от напряжения и тока, а от максимальной мощности, то есть смысл всегда выбирать модель с автоматическим ограничением выходной мощности. Это обеспечит универсальность решения за те же деньги.

Количество каналов

Лабораторные блоки питания выпускаются с одним, двумя или тремя выходными каналами. Здесь мы рассмотрим основные моменты их использования, а про гальваническую изоляцию каналов рассказывается дальше на этой странице .

Большинство лабораторных блоков питания имеют один выходной канал, особенно это касается мощных устройств. Практически все модели с мощностью более 500 Вт имеют один канал. Поэтому часто задают вопрос: можно ли объединять несколько одноканальных приборов? Можно, но есть особенности. Первое, что надо учитывать, когда Вы включаете последовательно несколько импульсных блоков питания: частоты переключения даже однотипных блоков питания будут слегка отличаться. Это будет создавать повышенные пульсации на выходе. Также есть вероятность резонансных эффектов, при которых уровень пульсаций будет периодически резко возрастать.

Второй момент - это соединение "+" и "-" двух приборов для формирования биполярного напряжения для питания транзисторных усилителей, АЦП и подобных устройств. Кроме повышенных пульсаций, будет сложно обеспечить одновременное включение и выключение сразу двух напряжений и их синхронную регулировку. Третий момент - последовательное соединение нескольких высоковольтных источников напряжения может превысить порог пробоя их изоляции. Как результат: возгорание и другие опасные последствия.

Учитывая сказанное, становится понятно, что для схем, в которых предусмотрено несколько питающих напряжений, лучше использовать двухканальные или трёхканальные лабораторные блоки питания, которые специально для этого предназначены. А для генерации высоких напряжений, лучше использовать специальные высоковольтные модели, например модель ITECH IT6726V с напряжением до 1 200 В или модель ITECH IT6018C-2250-20 с напряжением до 2 250 В.

Для примера, на этой фотографии показан типичный двухканальный лабораторный блок питания ITECH IT6412 .

Типичный двухканальный лабораторный блок питания ITECH IT6412.

Изоляция каналов

Гальваническая изоляция (её также называют электрической изоляцией) каналов лабораторного блока питания обеспечивает полную независимость напряжения и тока любого из каналов относительно напряжения и тока остальных каналов, а также сети питания. Внутри такого блока питания, для каждого из каналов, предусмотрена отдельная обмотка трансформатора. В хороших моделях напряжение пробоя между каналами превышает 200 Вольт. На практике это означает, что можно свободно подключать каналы друг к другу по последовательной схеме, а также менять "+" и "-".

В электронных устройствах, содержащих цифровую и аналоговую части, обычно используют два отдельных контура питания. Это делается для того, чтобы снизить проникновение шума цифровой шины питания в чувствительную аналоговую часть. Поэтому, при разработке и настройке таких устройств надо использовать лабораторный блок питания с гальванически изолированными каналами. Самым универсальным решением являются трёхканальные модели, например Keithley 2230 или ITECH IT6300B . С помощью такого прибора можно запитать аналоговую часть схемы двухполярным питанием (используются первые два канала), а на цифровую часть подать питание от третьего канала.

Ещё один тип устройств, при работе с которыми необходим лабораторный блок питания с изолированными каналами - это устройства, которые сами содержат изолированные части. Изоляция частей таких устройств обычно выполняется с помощью опторазвязок или специальных трансформаторов. Классический пример - это электрокардиограф, у которого чувствительная измерительная аналоговая часть, подключаемая к пациенту, должна выполнять две задачи: точное измерение электропотенциалов, формируемых сердечной мышцей (а это уровень нескольких милливольт) и безопасность самого пациента от поражения электрическим током.

На этой фотографии показана схема подключения модели Keithley 2230G-30-1 к основным узлам кардиографа. Первый канал используется для питания блока очень чувствительного измерителя, находящегося за опторазвязкой, второй канал используется для питания блока первичной обработки сигналов, а третий канал с низким напряжением и большим током питает основную схему цифровой обработки и отображения сигналов. Из-за того, что все три канала модели Keithley 2230G-30-1 полностью изолированы друг от друга, питаемый таким образом кардиограф работает в штатном режиме и исключается влияние одних блоков на другие из-за помех, проходящих по цепям питания.

Пример использования трёх изолированных каналов Keithley 2230G-30-1 для подачи питания на три независимые части медицинского оборудования.

Мощность

По полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, все лабораторные блоки питания постоянного тока можно разделить на стандартные (до 700 Вт) и большой мощности (700 Вт и более). Такое деление не случайно. Модели стандартной и большой мощности довольно сильно отличаются по функциональным возможностям и области применения.

В моделях стандартной мощности максимальное напряжение обычно находится в диапазоне от 15 В до 150 В, а максимальный ток от 1 А до 25 А. Количество каналов: один, два или три. Есть как линейные, так и импульсные модели. Конструктивное исполнение: стандартный приборный корпус для размещения на лабораторном столе. Масса от 2 до 15 кг. Типичный пример: серия Tektronix PWS4000 . В основном, возможности таких приборов нацелены на разработку и ремонт электронной аппаратуры, хотя область их применения значительно шире.

С другой стороны, модели большой мощности всегда одноканальные и импульсные. Модели до 3 кВт выпускаются в приборном или стоечном исполнении (типичный пример: серия ITECH IT6700H), а модели с мощностью 3 кВт и более мощные, монтируются только в промышленную стойку и отличаются значительной массой и габаритами. Например, масса модели на 18 кВт из серии ITECH IT6000C составляет 40 кг.

Большая мощность выдвигает повышенные требования к конструкции: наличие "умных" вентиляторов охлаждения, полный набор защит (от перегрузки, перегрева, смены полярности и пр.), возможность параллельного включения нескольких блоков для наращивания выходной мощности, поддержка специальных форм выходных сигналов (например, автомобильных стандартов DIN40839 и ISO-16750-2).

Для этой категории приборов является обязательной поддержка удалённого программного управления через один из интерфейсов: Ethernet, IEEE-488.2 (GPIB), USB, RS-232, RS-485 или CAN, так как они часто используются в составе автоматизированных комплексов. Также, некоторые серии (например IT6000C), могут регулировать своё выходное сопротивление в диапазоне от нуля до нескольких Ом, что очень полезно при имитации работы аккумуляторов и солнечных панелей. Кроме того, некоторые мощные модели могут содержать встроенную электронную нагрузку , что позволяет им не только генерировать ток, но и потреблять его.

Лабораторные блоки питания большой мощности используются в автомобильной промышленности, в альтернативной энергетике, при гальванической обработке металлов и во многих других отраслях, где необходимо формировать напряжения до 2 250 Вольт и токи до 2 040 Ампер.

Характеристики всех лабораторных блоков питания, отсортированных по мере увеличения максимальной мощности, смотрите . А на этой фотографии Вы можете увидеть мощные выходные клеммы шестикиловаттной модели IT6533D , которая состоит из двух модулей по 3 кВт каждый, включенных параллельно. Равномерное распределение выходной мощности между модулями обеспечивается с помощью отдельной шины синхронизации System BUS (серый кабель слева).

Защита от неправильного использования

Когда выбирают лабораторный блок питания, в первую очередь обращают внимание на цену и максимальное значение напряжения и тока. Но наличие качественной защиты - это тоже очень важно, так как позволяет защитить не только блок питания, но и подлюченное к нему оборудование. В этом разделе мы расскажем о типах защит, которыми оснащаются серийные лабораторные блоки питания и рассмотрим несколько сопутствующих моментов.

Защита от перегрузки по току (сокращённо OCP - Over Current Protection) должна мгновенно срабатывать при превышении выходным током заданного значения, что может произойти, например, при коротком замыкании выходных клемм блока питания. Такой тип защиты есть в большинстве хороших моделей. Но важно не только само наличие защиты, также важна скорость её срабатывания. В зависимости от реализации, защита от перегрузки по току может: полностью отключить выход блока питания от нагрузки, ограничить выходной ток заданным пороговым уровнем или перейти в режим стабилизации выходного тока (CC - Constant Current), сохранив то значение тока, которое было до перегрузки. В этом коротком видео показано как срабатывает защита маломощного лабораторного блока питания ITECH IT6720 при коротком замыкании его выходов.

Демонстрация срабатывания защиты от перегрузки по току при коротком замыкании.

Защита от перегрузки по напряжению (сокращённо OVP - Over Voltage Protection) срабатывает при превышении уровня напряжения на выходных клеммах блока питания заданного значения. Такая ситуация может возникать при работе на нагрузку с повышенным сопротивлением в режиме стабилизации тока. Или при попадании на клеммы лабораторного блока питания внешнего напряжения. Ещё одно применение этого типа защиты - это ограничение выходного напряжения блока питания на безопасном для подключенного оборудования уровне. Например, при питании цифровой схемы с напряжением 5 Вольт, есть смысл в настройках блока питания установить 5,5 Вольт в качестве порога срабатывания защиты.

Защита от перегрузки по мощности (сокращённо OPP - Over Power Protection) есть во всех моделях с автоматическим ограничением выходной мощности . Задача этой защиты - ограничить максимальную мощность, которую лабораторный блок питания отдаёт в нагрузку, для того, чтобы силовые компоненты блока питания работали в штатном режиме и не перегревались. Если при работе в режиме стабилизации выходного напряжения (CV - Constant Voltage) будет превышен ток потребления, то прибор автоматически перейдёт в режим стабилизации выходного тока (CC - Constant Current) и начнёт снижать напряжение на нагрузке.

Защита от перегрева (сокращённо OTP - Over Temperature Protection) срабатывает при повышенном нагреве силовых компонентов блока питания, находящихся внутри корпуса. В простых моделях используется один датчик температуры, который просто впаян в плату управления. Он отслеживает среднюю температуру внутри корпуса и не способен быстро реагировать на опасный нагрев силовых элементов. В хороших моделях используется несколько датчиков, расположенных прямо в точках максимального выделения тепла. Такая реализация обеспечивает гарантированную защиту прибора, даже при быстром локальном перегреве. Обычно в хороших моделях защита от перегрева работает совместно с вентиляторами охлаждения с изменяемой частотой вращения. Чем больше тепла выделяется внутри прибора, тем выше скорость вращения вентиляторов. Если внутренняя температура всё-таки приблизится к критической, то будет выдано предупреждение (звуковое и надпись на экране), а если произойдёт превышение, то лабораторный блок питания автоматически выключится.

Также в лабораторных блоках питания встречаются такие виды защиты: от смены полярности (реверса), от пониженного напряжения (UVP - Under Voltage Protection) и от аварийного отключения.

Форма выходного сигнала

Главная функция лабораторного блока питания в режиме стабилизации напряжения (CV) - это формирование заданного постоянного напряжения и его точное поддержание, даже при изменяющемся токе нагрузки. Аналогично, в режиме стабилизации тока (CC) блок питания должен подавать в нагрузку заданный постоянный ток и обеспечивать его точное поддержание даже при изменяющемся сопротивлении нагрузки.

Но в современных лабораторных и производственных условиях часто появляется необходимость в изменении выходного напряжения по определённому закону. Поэтому, некоторые модели хороших лабораторных блоков питания обеспечивают такую возможность. Этот режим называется: "Режим изменения выходного напряжения по списку заданных значений ". С его помощью можно изменять выходное напряжение по заданной программе, которая состоит из последовательности шагов. Для каждого шага задаётся уровень напряжения и его длительность. Этот режим позволяет испытывать оборудование, подавая на него неидеальные сигналы, максимально похожие на те, которые существуют в реальности: скачки и пульсации напряжения питания, кратковременные исчезновения напряжения, плавное нарастание и спад и т.д.

На этой фотографии показана одна из форм напряжения, которую легко можно реализовать с помощью режима изменения выходного напряжения по списку заданных значений (его также называют Режим Списка - List Mode). Фотография получена с помощью осциллографа, подключенного к клеммам блока питания IT6500 .

Напряжение на выходе лабораторного блока питания изменяется по сложному закону.
Пример работы режима изменения выходного напряжения по списку заданных значений (List Mode).

Но не все задачи можно решить с помощью лабораторного блока питания постоянного тока, даже если в нём есть режим работы по списку. Есть задачи, где необходимо формирование чисто синусоидального напряжения, причём с уровнем сотни вольт или синусоидального тока с уровнем десятки ампер. Для подобных задач выпускаются специализированные источники переменного напряжения и тока, такие как однофазная серия ITECH IT7300 или трёхфазная серия ITECH IT7600 .

При помощи таких приборов можно реализовывать много интересных решений, в основном в сфере проверки устойчивости оборудования при разных отклонениях в сети питания 220 В. В этом коротком видео, на примере модели IT7322, показано формирование переменного напряжения, амплитуда и частота которого изменяется по заданной программе. Форму выходного сигнала наблюдают с помощью осциллографа.

Формирование переменного напряжения с изменяющейся амплитудой и частотой.

Варианты управления: ручное и программное

Только ручное управление характерно для бюджетных серий, очень критичных к цене, например для эконом-серий ITECH IT6700 и Tektronix PWS2000 . Но большинство хороших лабораторных блоков питания средней и высокой ценовой категории поддерживают как ручное, так и программное управление.

Обычно, программное управление используют в двух случаях . Первый - это применение готовой компьютерной программы, которая поставляется вместе с прибором. На большом экране компьютера наглядно видно все настройки и параметры прибора, а это очень удобно. Кроме того, блок питания можно установить в производственном помещении, а управлять удалённо, со своего рабочего места. Это может быть полезно, если производственное помещение шумное, холодное или очень тёплое, содержит опасные для человека условия и т.д. При необходимости, даже можно организовать управление прибором через оптоволокно, что исключит любые электрические связи с оператором.

На этом рисунке показан скриншот главного окна программы IT9000, которая управляет работой лабораторного источника питания переменного напряжения и тока серии IT7300 . На одном экране размещаются все органы управления, а также подробная индикация текущего состояния прибора.

Главное окно программы удалённого управления прибором серии IT7300.
Нажмите на фотографию для увеличения изображения.

Второй случай, когда применяется программное управление - это включение лабораторных блоков питания в состав автоматизированных измерительных комплексов. Раньше для этой цели чаще всего использовали интерфейс IEEE-488.2 (его ещё называют GPIB, а в ГОСТ он назывался КОП - Канал Общего Пользования). Но в последние годы в системах промышленной автоматизации активно набирают популярность интерфейсы Ethernet (LAN) и USB, а устаревшие интерфейсы RS-232 и RS-485 используются всё реже. Для того, чтобы управлять прибором, придётся создавать собственные программы. Команды управления подробно описываются в руководствах по программированию, которые есть для каждой серии. Пример руководства по программированию для лабораторных блоков питания серии ITECH IT6500 смотрите . На этой фотографии показана задняя панель современного блока питания ITECH IT6412 , который стандартно оснащается тремя популярными интерфейсами: IEEE-488.2, Ethernet (LAN) и USB.

Три распространённых интерфейса программного управления приборами:
IEEE-488.2, LAN (Ethernet) и USB.

Типовые применения и популярные модели лабораторных блоков питания

Теперь, когда мы разобрались с основными критериями выбора лабораторных источников питания, давайте рассмотрим типичные задачи применения этих устройств и подходящие для этих задач модели приборов.

Универсальный лабораторный блок питания для широкого круга задач

Для большинства типовых задач, возникающих при разработке или ремонте электронной аппаратуры отлично подходит серия ITECH IT6900A (до 150 В, до 25 А, до 600 Вт), которая создавалась в качестве основного лабораторного блока питания, способного решать 90% всех вопросов:

Если нужен универсальный блок питания, но за минимальные деньги, то выбирайте эконом серию ITECH IT6700. В ней две модели: на 100 Вт и на 180 Вт. Нет программного управления, зато есть автоматическое ограничение выходной мощности, что не часто встречается в таком ценовом диапазоне:

!
Если вы ищете схему простого и надежного линейного блока питания, то эта статья именно для вас. Тут вы найдете полную инструкцию по сборке, а также настройке данного блока питания. Автором данной самоделки является Роман (YouTube канал «Open Frime TV»).

Для начала немного предыстории. Совсем недавно автор переделывал свое рабочее место и в качестве третьего блока питания хотел установить именно линейный блок, так как иногда ему приходится собирать схемы, которые не переносят пульсации напряжения. А как нам известно, то у линейного блока на выходе, пульсация напряжения практически полностью отсутствует.

До этого момента линейные блоки автора не сильно интересовали, и он как-то особо не вникал в данную тему. Когда же пришла идея по построению такого блока, Роман сразу открыл всеми любимый и широко известный видеохостинг YouTube. В итоге после продолжительных поисков автор для себя смог выделить 2 схемы. Автором первой является AKA KASYAN (автор одноименного YouTube канала), а вторая схема построена на операционниках.

Но так как операционники могут работать на напряжении до 32В, то и выходное напряжение соответственно не могло превышать данного предела, а это значит эта схема отпадает.

Ладно, можно собрать схему от Касьяна, но и тут нас ждало разочарование. Данная схема боится статики. Это проявлялось взрывом транзисторов если взяться за выходные контакты.

Так было несколько раз. И тогда автор решил оставить данную схему в покое. Вы скажете, что в интернете полно схем линейных блоков питания.

Да, несомненно это так, но только эти две схемы упомянутые выше, имели нормально разведенные печатки, которое можно было просто скачать. Все остальное, либо без печаток, либо собрано навесным монтажом. А мы (радиолюбители) привыкли к тому, что все подается на блюдечке с голубой каёмочкой.

Автор решил развести нормальную печатку. Плата получилось довольно компактной. После проведенного тестирования данной схемы, на удивление она отлично проявила себя.

При такой простоте автору это так понравилось, что он даже решил сделать kit-набор из данной платы. Для этого необходимо преобразовать печатку в Gerber файл (файл с расширением.gbr, представляющий собой проект печатной платы для последующего изготовления фотошаблонов на различном оборудовании). Затем необходимо отправить платы на изготовление.

И вот спустя пару недель после заказа получаем наши долгожданные платы. Вскрыв посылку и рассмотрев платы поближе, можем убедиться, что все очень качественно и красиво получилось.

Итак, давайте уже запаяем данную плату и проверим ее в работе. Компонентов для установки не так уж много, паять от силы минут 20, не больше.

Закончили с пайкой. Производим первое включение. И тут нас ждет небольшое разочарование. Данная плата не обошлась без косяков. Проявились они в том, что при вращении ручки потенциометра влево идёт увеличение напряжения и тока, а при правом вращении происходит уменьшение.

Так произошло потому, что резисторы для данной платы автор вынес на провода (для последующей установки на корпус) и там без проблем можно было поменять направление вращения просто поменяв боковые контакты. Ну ладно, зато все остальное работает как положено.

Но все же автор исправил печатку, теперь там при правом вращении потенциометра идёт увеличение напряжения, все как и должно быть. Так что можете смело скачивать и повторять данную конструкцию (архив с данной печатной платой находится в описании под оригинальным видеороликом автора, необходимо пройти по ссылке ИСТОЧНИК в конце статьи).

А теперь давайте перейдем к детальному рассмотрению схемы и непосредственно самой платы. Схему вы можете видеть на своих экранах.

Данный блок питания оснащен регулятором напряжения и тока, а также системой защиты от короткого замыкания, которая просто необходима в таких блоках.

Представьте себе на минуточку, что происходит при коротком замыкании, когда на входе напряжение 36В. Получается, что все напряжение рассеивается на силовом транзисторе, который конечно же такого издевательства вряд ли выдержит.

Защиту тут можно настроить. С помощью вот этого подстроечного резистора выставляем любой ток срабатывания.

Здесь установлена релюшка защиты на 12В, а входное напряжение может достигать 40В. Поэтому необходимо было получить напряжение 12В.

Это можно реализовать с помощью параметрического стабилизатора на транзисторе и стабилитроне. Стабилитрон на 13В, так как идет падение напряжения на переходах коллектор-эмиттер двух транзисторов.

Итак, теперь можно приступать к тестам данного линейного блока питания. Подаем напряжение в 40В от лабораторного блока питания. На нагрузку вешаем лампочку рассчитанную на напряжение 36В, мощностью 100Вт.

Затем начинаем потихоньку вращать переменный резистор.

Как видим регулировка напряжения работает отлично. Теперь давайте попробуем регулировать ток.

Как можно наблюдать, при вращении второго резистора ток уменьшается, а это значит, что схема работает в штатном режиме.
Так как это линейный блок и все «лишнее» напряжение превращается в тепло, ему нужен радиатор довольно таки больших размеров. Для этих целей отлично зарекомендовали себя радиаторы от процессора компьютера. Такие радиаторы имеют большую площадь рассеивания, а если их еще оснастить вентилятором, то можно в принципе полностью забыть про перегрев транзистора.

Лабораторный блок питания представляет собой востребованное среди профессионалов оборудование, которое активно используется инженерами, занимающимися разработкой и ремонтом различных электронных устройств. В настоящий момент существует огромное количество лабораторных источников питания . Число самых разных вариаций столь велико, что новичку будет непросто сориентироваться в таком многообразии оборудование. Чтобы выбрать оптимальный источник питания для определенных целей, рекомендуется разобраться в особенностях различных типов блоков, а уже после принимать решение о покупке.

Классификация лабораторных источников питания

Лабораторные источники питания можно классифицировать по самым разным параметрам. Наиболее популярный метод классификации – по принципу действия, в соответствии с которым все источники питания можно разделить на импульсные и линейные. Последние также называют трансформаторными.

Каждый из типов блоков имеет свои преимущества. Так, к примеру, импульсный блок питания характеризуется высоким коэффициентом полезного действия и значительно большей мощностью по сравнению с трансформаторными агрегатами. В тоже время линейный источник питания обладает такими достоинствами как простота и надежность конструкции, а также низкая стоимость ремонта и ценовая доступность запчастей.

Линейный блок питания

Традиционным блоком питания является линейный блок. Его конструкция состоит из автотрансформатора и понижающего трансформатора. Также имеется выпрямитель, который преобразует переменное напряжение в постоянное. Преимущественное большинство моделей укомплектовано выпрямителем, состоящим из одного или четырёх диодов, составляющих так называемые диодный мост. При этом есть и другие конструкционные схемы, но они используются гораздо реже. В некоторых моделях после выпрямителя может быть инсталлирован специальный фильтр, который стабилизирует колебания в сети. Как правило, эту функцию выполняет высокоемкостный конденсатор. В некоторых моделях предусмотрены фильтры высокочастотных помех, стабилизаторы тока и напряжения и многое другое. Простейший линейный блок питания, возможно, сделать своими руками, при этом, основным и самым дорогим компонентом является понижающий трансформатор – Т1.

Схема линейного блока питания

Среди мастеров, которые специализируются на ремонте и обслуживании электроники и радиотехники, самым востребованным линейным блоком питания считается модель с выходными характеристиками напряжения в регулируемом диапазоне 0-30 В и тока в диапазоне 0-5А, например - источник питания постоянного тока . Этот блок представляет собой высокоточный агрегат, с помощью которого можно легко и тонко настраивать параметры переменного тока и напряжения в установленных номинальных рамках. Оборудование функционирует в двойном режиме – цифровой индикатор одновременно показывает актуальные показатели напряжение и выходного тока. Кроме того, данная модель имеет режим защиты от короткого замыкания (кз), перегрузки по току и функцию самовосстановления.

Импульсный блок питания

В наши дни преимущественное большинство используемых блоков питания – это агрегаты импульсного типа. Эти блоки представляют собой фактически инверторную систему. Принцип их работы прост – происходит предварительное выпрямление входного напряжения, после чего оно преобразуется в импульсы с увеличенной частотой и необходимыми параметрами скважности. В импульсных блоках питания используются небольшие трансформаторы, которых более чем достаточно, поскольку увеличение частоты повышает эффективность трансформатора, а значит нет необходимости в больших габаритах. Нередко сердечник трансформатора изготавливается из ферромагнитных материалов, что, помимо всего прочего, существенно облегчает конструкцию.

Что же обеспечивает стабилизацию напряжения? Эту функцию берёт на себя отрицательная обратная связь, которая поддерживает выходное напряжение на одном уровне. При этом не учитывается величина нагрузки и колебания входного напряжения. Импульсный блок питания, также возможно сделать, своими руками, но в этом случае основными компонентами являются, линейный регулятор - LM7809, либо ШИМ контроллер TL494, а также импульсный трансформатор Т1.

Схема простого импульсного блока питания

Наиболее востребованным среди профессионалов импульсным агрегатом, который пользуется спросом и среди любителей, и среди профессионалов, считается импульсный блок питания – эталон компактности и удобства. Этот лабораторный источник импульсного типа идеально подходит для стабильной работы самых разных электронных схем и устройств. Конструкцией предусмотрена возможность настраивать параметры переменного тока в диапазоне от 0 до 5 А и напряжения от 0 до 30 В, защита от кз, перегрева и перегрузки по току. Данная модель укомплектована плавными регуляторами, которые облегчают точный подбор напряжения и тока. Прибор оснащен удобным цифровым дисплеем, на котором в реальном времени отображаются параметры напряжения и переменного тока.

Что же выбрать? Преимущества и недостатки линейных и импульсных блоков питания.

На сегодняшний день импульсные блоки питания используются повсеместно, и они активно вытесняют с рынка менее удобные линейные агрегаты. Теме не менее, только в работе можно оценить сильные и слабые стороны импульсных и трансформаторных блоков питания.

К достоинствам импульсных агрегатов нужно отнести:
Высокий коэффициент стабилизации;
Высокий коэффициент полезного действия;
Более широкий диапазон входных напряжений;
Более высокая мощность по сравнению с линейными устройствами.
Отсутствие чувствительности к качеству электропитания и частоте входного напряжения;
Небольшие габариты и достойная транспортабельность;
Доступная цена.

К явным недостаткам импульсных источников питания стоит отнести:
Наличие импульсных помех;
Сложность схем, что негативно сказывается на надежности;
Ремонт далеко не всегда удается произвести своими руками.

Трансформаторные блоки питания также имеют ряд плюсов, среди которых:
Простота и надежность конструкции;
Высокая ремонтопригодность и дешевизна запчастей;
Отсутствие радиопомех;

Как вы понимаете, у трансформаторных блоков питания есть и недостатки, среди которых:
Большой вес и габариты, что часто делает транспортировку очень неудобной;
Обратная зависимость между КПД и стабильностью выходного напряжения;
Металлоемкость конструкции.

Лабораторные блоки питания на сегодняшний день представлены огромным ассортиментом агрегатов. Спросом пользуются и импульсные, и трансформаторные блоки. Удачный выбор оборудования напрямую зависит от того, какие цели вы преследуете, приобретая блок питания. Если вы хотите всегда иметь под рукой надежный агрегат с отсутствием радиопомех, который редко ломается и легко поддается ремонту, тогда стоит обратить внимание на трансформаторные блоки питания. Если же для вас важна мощность и коэффициент полезного действия, тогда вам стоит подробнее изучить импульсные устройства.

Наиболее мощные лабораторный блоки питания представлены импульсными моделями:

!
Сегодня мы с вами соберем мощнейший лабораторный блок питания. На данный момент он является одним из самых мощных на YouTube.

Все началось с постройки водородного генератора. Для запитки пластин автору понадобился мощный блок питания. Покупать готовый блок типа DPS5020 не наш случай, да и бюджет не позволял. Спустя некоторое время схема была найдена. Позже выяснилось, что этот блок питания настолько универсален, что его можно использовать абсолютно везде: в гальванике, электролизе и просто для запитки различных схем. Сразу пробежимся по параметрам. Входное напряжение от 190 до 240 вольт, выходное напряжение - регулируемое от 0 до 35 В. Выходной номинальный ток 25А, пиковый - свыше 30А. Также, блок имеет автоматическое активное охлаждение в виде кулера и ограничения по току, она же защита от короткого замыкания.

Теперь, что касается самого устройства. На фото вы можете видеть силовые элементы.

От одного взгляда на них захватывает дух, но свой рассказ хотелось бы начать совсем не со схем, а непосредственно с того, от чего приходилось отталкиваться, принимая то или иное решение. Итак, в первую очередь, конструкция ограничена корпусом. Это было очень большим препятствием в построении печатных плат и размещении компонентов. Корпус был куплен самый большой, но все равно его размеры для такого количества электроники малы. Второе препятствие - это размер радиатора. Хорошо, что они нашлись в точности, подходящие под корпус.

Как видим радиаторов тут два, но входе построения объединим в один. Помимо радиатора, в корпусе нужно установить силовой трансформатор, шунт и высоковольтные конденсаторы. Они никак не влазили на плату, пришлось их вынести за пределы. Шунт имеет небольшие размеры, его можно положить на дно. Силовой трансформатор был в наличии только таких размеров:

Остальные раскупили. Его габаритная мощность 3 кВт. Это конечно намного больше чем нужно. Теперь можно переходить к рассмотрению схем и печаток. В первую очередь рассмотрим блок-схему устройства, так будет легче ориентироваться.

Состоит она из блока питания, dc-dc преобразователя, системы плавного пуска и различной периферии. Все блоки не зависят друг от друга, например, вместо блока питания можно заказать готовый. Но мы рассмотрим вариант как сделать все своими руками , а вам уже решать, что купить, а что делать также. Стоит отметить, что необходимо установить предохранители между силовыми блоками, так как при выходе из строя одного элемента, он потащит за собой в могилу остальную схему, а это вылетит вам в копеечку.

Предохранители на 25 и 30А в самый раз, так как это номинальный ток, а выдержать они могут на пару ампер больше.
Теперь по порядку о каждом блоке. Блок питания построен на всеми любимой ir2153.

Также в схему добавлен умощненный стабилизатор напряжения для питания микросхемы. Он запитан от вторичной обмотки трансформатора, параметры обмоток рассмотрим при намотке. Все остальное - это стандартная схема блока питания.
Следующий элемент схемы - это плавный пуск.

Установить его необходимо для ограничения тока зарядки конденсаторов, чтобы не спалить диодный мост.
Теперь самая важная часть блока – dc-dc преобразователь.

Его устройство очень сложное, поэтому углубляться в работу не будем, если интересно подробнее узнать про схему, то изучите самостоятельно.

Настало время переходить к печатным платам. Вначале рассмотрим плату блока питания.

На нее не вместились ни конденсаторы, ни трансформатор, поэтому на плате имеются отверстия для их подключения. Размеры фильтрующего конденсатора подбирайте под себя, так как они бывают разных диаметров.

Далее рассмотрим плату преобразователя. Тут тоже можно немного подогнать размещение элементов. Автору пришлось сместить второй выходной конденсатор вверх, так как он не вмещался. Так же можете добавить еще перемычку, это уже на ваше усмотрение.
Теперь переходим к травлению платы.

Думаю, тут нет ничего сложного.
Осталось запаять схемы и можно проводить тесты. В первую очередь запаиваем плату блока питания, но только высоковольтную часть, чтобы проверить не накосячили ли мы во время разводки. Первое включение как всегда через лампу накаливания.

Как видим, при подключении лампочки, она загорелась, а это значит, что схема без ошибок. Отлично, можно установить элементы выходной цепи, а как известно, туда нужен дроссель. Его придется изготовить самостоятельно. В качестве сердечника используем вот такое желтое кольцо от компьютерного блока питания:

С него необходимо удалить штатные обмотки и намотать свою, проводом 0,8 мм сложенным в две жилы, количество витков 18-20.

Заодно можем намотать дросселя для dc-dc преобразователя. Материалом для намотки являются вот такие кольца из порошкового железа.

В отсутствие такого, можно применить тот же материал, что и в первом дросселе. Одной из важных задач является соблюдение одинаковых параметров для обоих дросселей, так как они будут работать в параллели. Провод тот же – 0,8 мм, количество витков 19.
После намотки, проверяем параметры.

Они в принципе совпадают. Далее запаиваем плату dc-dc преобразователя. С этим проблем возникнуть не должно, так как номиналы подписаны. Тут все по классике, сначала пассивные компоненты, потом активные и в последнюю очередь – микросхемы.
Настало время заняться подготовкой радиатора и корпуса. Радиаторы соединим между собой двумя пластинками вот таким образом:

На словах это все хорошо, надо бы заняться делом. Сверлим отверстия под силовые элементы, нарезаем резьбу.

Сам же корпус тоже немного подправим, отломав лишние выступы и перегородки.

Когда все готово, приступаем к креплению деталей на поверхность радиатора, но так как фланцы активных элементов имеют контакт с одним из выводов, то необходимо их изолировать от корпуса подложками и шайбами.

Крепить будем на винты м3, а для лучшей термо передачи воспользуемся не высыхающей термопастой.
Когда разместили на радиаторе все греющиеся части, запаиваем на плату преобразователя ранее не установленные элементы, а также припаиваем провода для резисторов и светодиодов.

Теперь можно тестировать плату. Для этого подадим напряжение от лабораторного блока питания в районе 25-30В. Проведем быстрый тест.

Как видим, при подключении лампы идет регулировка по напряжению, а также ограничения по току. Отлично! И эта плата тоже без косяков.

Тут же можно настроить температуру срабатывания кулера. С помощью подстроечного резистора производим калибровку.
Сам же термистор нужно закрепить на радиаторе. Осталось намотать трансформатор для блока питания на вот таком гигантском сердечнике:

Перед намоткой необходимо рассчитать обмотки. Воспользуемся специальной программой (ссылку на нее найдете в описании под видеороликом автора, пройдя по ссылке «Источник»). В программе указываем размер сердечника, частоту преобразования (в данном случае 40 кГц). Также указываем количество вторичных обмоток и их мощность. Силовая обмотка на 1200 Вт, остальные на 10 Вт. Также нужно указать каким проводом будут мотаться обмотки, жмем кнопку «Рассчитать», тут нет ничего сложного, думаю разберетесь.

Посчитали параметры обмоток и начинаем изготовление. Первичка в один слой, вторичка в два слоя с отводом от середины.

Изолируем все с помощью термоскотча. Тут по сути стандартная намотка импульсника.
Все готово к установке в корпус, осталось разместить периферийные элементы на лицевой стороне таким образом:

Сделать это можно довольно просто, лобзиком и дрелью.

Теперь самая трудная часть - разместить все внутри корпуса. В первую очередь соединяем два радиатора в один и закрепляем его.
Соединение силовых линий будем проводить вот такой 2-ух миллиметровой жилой и проводом сечением 2,5 квадрата.

Также возникли некие проблемы с тем, что радиатор занимает всю заднюю крышку, и там невозможно вывести провод. Поэтому выводим его сбоку.