Блок питания для систем безопасности

1. ВВЕДЕНИЕ

 

При построении любой системы  безопасности, будь то система ОПС, ССТV или СКУД, всегда необходимо тщательно  подходить к немаловажному вопросу  обеспечения гарантированного электропитания системы. 
          К сожалению, очень часто проектные и монтажные организации относятся к этому достаточно формально, что связано, в первую очередь, с кажущейся незначительностью вопроса и с отсутствием достаточно объективной информации по техническим характеристикам используемых приборов и, как следствие, объективных критериев для выбора.. Из всего многообразия аппаратуры, которая, так или иначе, применяется в охранных системах, блоки питания являются одними из самых функционально "простых" устройств.

Именно эта кажущаяся  простота и привела к появлению  на рынке огромного количества производителей и огромного количества блоков. А  это, к сожалению, приводит к тому, что в пылу конкуренции производители  сознательно идут на обман потребителя, приводя в рекламно-информационных материалах неверные и откровенно завышенные параметры своих источников. При этом очень трудно поймать их за руку, ибо не существует общепринятых стандартов и терминологии для систем гарантированного электропитания. Сертификация оборудования в данном случае не является гарантом его качества, ибо при сертификации проверяется соответствие реальных параметров прибора заявленным в технической документации и не более того.

Одним словом – выбор  источника питания в системах безопасности дело ответственное и  очень важное.

 

 

 

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

 

Вторичный источник электропитания — это устройство, предназначенное для обеспечения питания электроприбора электрической энергией, при соответствии требованиям её параметров: напряжения, тока, и т. д. путём преобразования энергии других источников питания. Согласно ГОСТ Р 52907-2008 слово «вторичный» опускается. Источник электропитания может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах, либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах — например материнская плата компьютера имеет встроенные преобразователи напряжения для питания процессора), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и т. д.), или даже расположенным в отдельном помещении (цехе электропитания).

Задачи вторичного источника  питания

• Обеспечение передачи мощности — источник питания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.
• Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
• Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины для питания различных цепей.
• Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и т. д. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.
• Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.
• Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.
• Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.
• Управление — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).
• Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

 

Распространённые конструкции

Чаще всего перед вторичными источниками питания стоит задача преобразования электроэнергии из сети переменного тока промышленной частоты (Например, в России — 220 В 50 Гц, в США — 120 В 60 Гц). Рассмотрим две наиболее типичных конструкции.

Трансформаторный (сетевой) источник питания

Классическим блоком питания  является трансформаторный БП. В общем  случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут  быть установлены фильтры высокочастотных  помех, всплесков (варисторы), защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока.

Габариты трансформатора

Существует формула, несложно выводимая из базовых законов  электротехники (и даже уравнений  Максвелла):

 

 

где n — число витков на 1 вольт (в левой части формулы стоит ЭДС одного витка, которая есть по уравнению Максвелла производная от магнитного потока, поток есть нечто в виде sin(f*t), в производной f выносится за скобку), f — частота переменного напряжения, S — площадь сечения магнитопровода, B — индукция магнитного поля в нем. Формула описывает амплитуду B, а не мгновенное значение.

Величина B на практике ограничена сверху возникновением гистерезиса  в сердечнике, что приводит к потерям  на перемагничивание и перегреву  трансформатора.

Если принять, что f есть частота  сети (50 Гц), то единственные два параметра, доступные для выбора при разработке трансформатора, есть S и n. На практике принята эвристика n = (от 55 до 70) / S в  см².

Увеличение S означает повышение  габаритов и веса трансформатора. Если же идти по пути снижения S, то это  означает повышение n, что в трансформаторе небольшого размера означает снижение сечения провода (иначе обмотка  не поместится на сердечнике).

Увеличение n и снижение сечения  означает сильное увеличение активного  сопротивления обмотки. В маломощных трансформаторах, где ток через  обмотку невелик, этим можно пренебречь, но с повышением мощности ток через  обмотку растет и, при высоком  сопротивлении обмотки, рассеивает на ней значительную тепловую мощность, что недопустимо.

Перечисленные выше соображения  приводят к тому, что на частоте 50 Гц трансформатор большой (от десятков ватт) мощности может быть успешно реализован только как устройство большого габарита и веса (по пути повышения S и сечения провода со снижением n).

Потому в современных  БП идут по другому пути, а именно по пути повышения f, то есть переходу на импульсные блоки питания. Таковые  блоки питания в разы легче (причем основная часть веса приходится на экранирующую клетку) и значительно  меньше габаритами, чем классические. Кроме того, они не требовательны  к входному напряжению и частоте.

Достоинства трансформаторных БП

• Простота конструкции
• Надёжность
• Доступность элементной базы
• Отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных, создающих помехи за счет гармонических составляющих)

Недостатки трансформаторных БП

• Большой вес и габариты, особенно при большой мощности
• Металлоёмкость
• Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.
• Слабая стойкость оборудования с таким БП к броскам напряжения и "отгоранию нуля" (обычно возникает в воздушных сетях сельской местности, приводит к повышению напряжения в розетках с 220 до 380В). Печально известны в этом плане платы автоматики отопительных котлов (как правило они защищаются варистором, но часто и этого оказывается недостаточно). В то же время техника с импульсными БП (например, современные телевизоры) часто переносит повышения питания до 380В без разрушения.

Импульсный источник питания

  В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания  стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

 

Достоинства импульсных БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами  соответствующие им импульсные стабилизаторы  обладают следующими основными достоинствами:

• меньшим весом за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме;
• значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %)^{[источник не указан 766 дней]} за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;
• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
• сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью. (Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные, линейные БП малой мощности сохранились только для питания слаботочных плат управления "белой" бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок).
• широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
• наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

Недостатки импульсных БП

• Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП;
• Все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры.
• В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.

 

 

 

 

 

 

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

 

Первым блоком в функциональной схеме является выпрямитель напряжения, который необходим для выпрямления переменного напряжения, поступающего от сети питания. Выпрямитель — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт  не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания  пульсаций которых применяют  фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором. Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

• Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.
• Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.
• Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

• по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.
• По типу выпрямительного элемента – ламповые(кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.
• По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.
• По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.