Лінійне джерело живлення: лінійне регульоване живлення

Лінійні регульовані джерела живлення можуть забезпечувати надзвичайно низький рівень вихідного шуму та хорошу стабілізацію, але за рахунок розміру та ефективності.

Лінійні джерела живлення широко використовуються через переваги, які вони пропонують з точки зору загальної продуктивності, а також технологія дуже добре зарекомендувала себе, оскільки вона доступна протягом багатьох років.

Незважаючи на те, що лінійні джерела живлення можуть бути не такими ефективними, як джерела живлення в режимі перемикання, вони пропонують найкращі характеристики і тому використовуються в багатьох додатках, де шум має велике значення.

Однією з основних областей, де майже завжди використовуються лінійні джерела живлення, є аудіовізуальні програми, підсилювачі hi-fi тощо. Тут шуми та стрибки перемикань від джерел живлення в режимі перемикання можуть викликати проблеми - це означає, що SMPS постійно покращуються в роботі, але лінійні джерела живлення, як правило, використовуються більшу частину часу.

Типовий змінний лінійний блок живлення для лабораторного використання в стенді

Основи лінійного живлення

Лінійні регульовані джерела живлення отримали свою назву завдяки тому, що вони використовують лінійні, тобто не комутаційні методи для регулювання вихідної напруги від джерела живлення. Термін лінійне джерело живлення означає, що джерело живлення регулюється для забезпечення правильної напруги на виході.

Напруга визначається, і цей сигнал подається назад, як правило, в якусь форму диференціального підсилювача, де його порівнюють з опорною напругою, і результуючий сигнал використовується для забезпечення виходу на необхідній напрузі.

Іноді зондування напруги може здійснюватися на вихідних клемах, а іноді - безпосередньо на навантаженні. Дистанційне зондування застосовується там, де між джерелом живлення та навантаженням можуть бути омічні втрати. Часто приладдя для лабораторних стендів має таку можливість.

Різні лінійні джерела живлення матимуть різні схеми та включатимуть різні схеми блоків, якщо потрібні додаткові можливості, але вони завжди включатимуть основні блоки, а також деякі додаткові додаткові.

Вхідний трансформатор живлення

Оскільки багато регульованих джерел живлення беруть джерело живлення від мережевого входу змінного струму, для лінійних джерел живлення зазвичай є понижуючий або іноді підвищуючий трансформатор. Це також служить для ізоляції джерела живлення від вхідної мережі для безпеки.

Трансформатор, як правило, є відносно великим електронним компонентом, особливо якщо він використовується в лінійному регульованому джерелі живлення більшої потужності. Трансформатор може додати значної ваги блоку живлення, а також може бути досить дорогим, особливо для більш потужних.

Залежно від прийнятого підходу випрямляча, трансформатор може бути єдиним вторинним, або він може бути централізованим. Також додаткові обмотки можуть бути при необхідності подальших напруг.

Для старовинних радіостанцій та іншої старовинної електронної електроніки багато вторинних обмоток були звичним явищем. Зазвичай основна вторинна обмотка була прорізана по центру, щоб забезпечити повне випрямлення хвилі за допомогою подвійного діодного клапана або трубчастого випрямляча, а додаткові вторинні обмотки були потрібні для нагрівачів клапанів або труб - часто 5 вольт для випрямляча, а потім 6,3 в для клапанів/трубок самі.

Випрямляч

Оскільки вхід від джерела змінного струму змінюється, його потрібно перетворити у формат постійного струму. Доступні різні форми випрямної схеми.

Найпростіша форма випрямляча, яка може бути використана в джерелі живлення, - це один діод, що забезпечує напівхвильове випрямлення. Зазвичай такий підхід не використовується, оскільки важче задовільно згладити вихід.

Зазвичай використовується повне випрямлення хвилі з використанням обох половин циклу. Це забезпечує форму сигналу, яку можна легше згладити.

Є два основних підходи до забезпечення напівхвильового випрямлення. Один з них - використання трансформатора з центральним різьбленням та двох діодів. Інший - використання однієї обмотки на трансформаторі живлення та використання мостового випрямляча з чотирма діодами. Оскільки діоди дуже дешеві, а вартість забезпечення трансформатора з центральним відводом більше, найпоширенішим підходом сьогодні є використання мостового випрямляча.

Примітка щодо схем діодного випрямляча:

Діодні схеми випрямляча використовуються в багатьох областях - від мережевих джерел живлення до демодуляції радіочастот. Схеми діодного випрямляча використовують здатність діода пропускати струм лише в одному напрямку. Існує кілька різновидів від напівхвильової до повнохвильової, мостових випрямлячів, пікових детекторів тощо.

Докладніше про Схеми діодного випрямляча

Навіть для регуляторів постійного струму на вході може бути встановлений випрямляч для захисту від зворотного підключення живлення.

Згладжування джерела живлення

Після випрямлення від сигналу змінного струму постійний струм потрібно згладити, щоб усунути різний рівень напруги. Для цього використовуються великі резервуарні конденсатори.

Згладжуюча дія пластового конденсатора

Згладжуючий елемент схеми використовує великий конденсатор. Це заряджається, коли вхідна форма сигналу від випрямляча піднімається до піку. Коли напруга випрямленої форми сигналу падає, як тільки напруга нижче напруги конденсатора, конденсатор починає подавати заряд, утримуючи напругу вгору, до наступного зростання форми сигналу від випрямляча.

Згладжування не є ідеальним, і завжди буде деяка залишкова пульсація, але це дозволяє усунути величезні коливання напруги.

Лінійні регулятори живлення

Більшість джерел живлення сьогодні забезпечують регульований вихід. З сучасною електронікою включити лінійний регулятор напруги досить просто і не надто дорого. Це забезпечує постійну вихідну напругу незалежно від навантаження - у зазначених межах.

Оскільки багато електронних компонентів, електронних пристроїв тощо потребують точно підтримуваних джерел живлення, регульоване джерело живлення є необхідністю.

Існує два основних типи лінійного живлення:

Шунтовий регулятор:

Блок живлення розрахований на заданий струм, і з навантаженням, яке застосовується, шунтовий регулятор поглинає будь-який струм, не потрібний навантаженню, так що вихідна напруга підтримується.

Структурна схема послідовного регулятора напруги

У цій блок-схемі еталонна напруга використовується для керування послідовним прохідним елементом, який може бути біполярним транзистором або полевим транзистором. Посилання може бути просто напругою, взятою від джерела опорної напруги, наприклад електронний компонент, такий як стабілітрон.

Більш звичним підходом є вибірка вихідної напруги і подача її в диференціальний підсилювач для порівняння вихідної напруги з еталонною, а потім використання цього для керування схемою елемента остаточного проходу.

Обидва ці типи лінійних регуляторів використовуються в джерелах живлення, і хоча послідовний регулятор використовується більш широко, існують випадки, коли також використовується шунтуючий регулятор.

Переваги/недоліки лінійного електроживлення

Використання будь-якої технології часто є ретельним балансом кількох переваг та недоліків. Це справедливо для лінійних джерел живлення, які пропонують певні переваги, але мають і свої недоліки.

Переваги лінійного блоку живлення

Створена технологія: Лінійні джерела живлення широко використовуються протягом багатьох років, і їх технологія добре відома і зрозуміла.
Низький рівень шуму: Використання лінійної технології без будь-якого перемикаючого елемента означає, що шум зведений до мінімуму, і тепер знайдені дратівливі стрибки, виявлені в імпульсних джерелах живлення.

Недоліки лінійного блоку живлення

Ефективність: Зважаючи на той факт, що лінійне джерело живлення використовує лінійну технологію, воно не є особливо ефективним. Ефективність близько 50% - не рідкість, і за деяких умов вони можуть пропонувати значно нижчі рівні.
Розсіювання тепла: Використання послідовного або паралельного (менш поширеного) регулюючого елемента означає, що значна кількість тепла розсіюється, і це потрібно видаляти.
Розмір: Використання лінійної технології означає, що розмір лінійного джерела живлення має тенденцію бути більшим, ніж інші форми електроживлення.

Незважаючи на недоліки, технологія лінійного регульованого живлення все ще широко застосовується, хоча вона застосовується ширше там, де потрібні низький рівень шуму та хороше регулювання. Одним із типових застосувань є звукові підсилювачі, де лінійне живлення здатне забезпечити оптимальну продуктивність для живлення всіх ступенів підсилювача.