Výběr nejlepšího zdroje energie: lineární nebo spínací?

Spínané nebo lineární napájení: rozdíly, charakteristiky. co je lepší?

Není asi žádným tajemstvím, že většina specialistů, radioamatérů a jednoduše technicky zdatných kupců napájecích zdrojů se spínaných zdrojů obává a dává přednost lineárním.

Důvod je jednoduchý a jasný. Pověst spínaných zdrojů byla vážně narušena již v 80. letech, v době hromadných poruch domácích barevných televizorů a nekvalitních importovaných video zařízení vybavených prvními spínanými moduly.

co máme dnes? Téměř všechny moderní televizory, video zařízení, domácí spotřebiče a počítače používají spínané zdroje napájení. Oblastí použití lineárních (analogových, parametrických) napájecích zdrojů je stále méně a méně. Lineární napájecí zdroj dnes ve vybavení domácnosti téměř nenajdete. Ale stereotyp zůstává. A to není konzervatismus, i přes rychlý pokrok elektroniky se překonávání stereotypů děje velmi pomalu.

Nevýhody napájecích zdrojů

Zkusme se objektivně podívat na dnešní situaci a zkusme změnit názor odborníků. Podívejme se na „stereotypní“ a inherentní spínané zdroje Nevýhody: složitost, nespolehlivost, rušení.

Nevýhody napájecích zdrojů – složitost

Ano, jsou složité, přesněji, složitější než analogové, ale mnohem jednodušší než počítač nebo televize. Nemusíte rozumět jejich obvodům, stejně jako nepotřebujete rozumět obvodům barevného televizoru. Nechte to na profesionálech. Pro profesionály tam není nic složitého.

Nevýhody napájecích zdrojů – Nespolehlivost

Prvková základna spínaných zdrojů nestojí. Moderní vybavení používané v napájecích zdrojích nám dnes umožňuje s jistotou říci: nespolehlivost je mýtus. Spolehlivost napájecích zdrojů, stejně jako jakéhokoli jiného zařízení, závisí v zásadě na kvalitě použité základny prvků. Čím dražší zdroj, tím dražší elementová základna v něm. Vysoká integrace umožňuje implementaci velkého množství vestavěných ochran, které někdy nejsou v lineárních zdrojích dostupné.

Nevýhody napájecích zdrojů – Rušení

Obvod spínaných zdrojů zahrnuje vytváření silných impulsů a tlumených oscilací ve vinutí transformátoru. Tyto spínací procesy předurčují široké spektrum rušivého záření.
Pouzdro a propojovací vodiče zdroje se proto mohou stát anténou pro vyzařování rádiového rušení. Pokud je ale pečlivě propracován návrh zdroje, můžete na rušení zapomenout.

Pulzní zdroje navíc dokážou díky moderním technologiím výrazně vyhladit vlnění síťového napětí.

Jaké jsou výhody napájecích zdrojů?

Výhody napájecích zdrojů – Vysoká účinnost (až 90-98%)

Vysoká účinnost je spojena se zvláštností návrhu obvodu. Hlavní ztráty v analogovém zdroji jsou síťový transformátor a analogový stabilizátor (regulátor). Pulzní zdroj nemá ani jedno z toho. Místo síťového transformátoru je použit vysokofrekvenční transformátor a místo stabilizátoru klíčový prvek. Vzhledem k tomu, že klíčové prvky jsou většinu času buď zapnuté, nebo vypnuté, energetické ztráty jsou minimální.

Účinnost analogového zdroje může být asi 50 %, to znamená, že polovina jeho energie (a vašich peněz) jde na ohřev okolního vzduchu, jinými slovy jde do odpadu.

Výhody napájecích zdrojů – Lehká váha

Menší hmotnost díky tomu, že s rostoucí frekvencí je možné použít menší transformátory se stejným přenášeným výkonem. Hmotnost spínaného zdroje je několikanásobně menší než u analogového.

Výhody napájecích zdrojů – Nižší náklady

Poptávka vytváří nabídku. Díky hromadné výrobě unifikované článkové základny a vývoji klíčových výkonových tranzistorů máme dnes nízké ceny výkonové základny spínaných zdrojů. Čím vyšší je výstupní výkon spínaného zdroje, tím je zdroj levnější v porovnání s cenou podobného lineárního zdroje.

Navíc hlavní komponenty analogového zdroje (měď, trafostanice, hliníkové radiátory) neustále zdražují.

Výhody napájecích zdrojů – Spolehlivost

Slyšeli jste dobře, spolehlivost. V současné době jsou spínané zdroje spolehlivější než lineární díky přítomnosti vestavěných ochranných obvodů v moderních zdrojích před různými nepředvídatelnými situacemi, například před zkraty, přetíženími, napěťovými rázy a přepólováním výstupních obvodů. Vysoká účinnost způsobuje menší tepelné ztráty, což následně způsobuje menší přehřívání základny zdrojového prvku, což je také ukazatelem spolehlivosti.

Výhody napájecích zdrojů – Požadavky na síťové napětí

Pravděpodobně víte z první ruky, co se děje v domácích energetických sítích. 220 voltů v zásuvce je vzácnější než norma. A spínané zdroje umožňují široký rozsah napájecích napětí, pro lineární nedosažitelný.

Typický spodní práh síťového napětí pro pulzní zdroj je 90–110 voltů, kterýkoli analogový zdroj se při tomto napětí v nejlepším případě „zvlní“ nebo se jednoduše vypne.

Sečteno a podtrženo – jaký zdroj energie zvolit?

Takže pulzní nebo lineární? Volba je v každém případě na vás, jen jsme vám chtěli pomoci objektivně se podívat na spínané zdroje a vybrat si tu správnou. Jen nezapomeňte, že kvalitní zdroj je zdroj vyrobený profesionálně s použitím vysoce kvalitních komponentů. A kvalita je vždy cena. Sýr zdarma je pouze v pasti na myši. Poslední věta však platí stejně pro jakýkoli zdroj, jak pulzní, tak analogový.

– Koupím zdroj za 20. 30 ampérů. Který je lepší vzít? Doporučili byste?

– Za žádných okolností neberte „puls“!

Následovalo celé kázání odsuzující spínané napájecí zdroje (SMPS) všech „smrtelných hříchů“: jsou velmi složité a extrémně nespolehlivé, narušují příjem a jsou strašně drahé.

Takové předsudky jsou v radioamatérské komunitě tak rozšířené, že se lidé ve strachu vyhýbají pulzním zdrojům. Takové negativní psychologické postoje nejsou způsobeny zdravým konzervatismem, ale velmi banálním důvodem. V očích mnoha radioamatérů byla reputace IIP vážně narušena již v 80. letech, v době masových poruch věčně památného USCT/UPITST a nekvalitní importované videotechniky. Bohužel i přes rychlý pokrok elektroniky dochází k překonávání stereotypů v myslích lidí velmi pomalu. Pojďme analyzovat bod po bodu, zda jsou zdroje impulsů oprávněně kritizovány.

Pokud jde o „složitost“ SMPS, můžeme souhlasit: ano, pochopit jejich obvody není snadné. Ale to není argument, protože superheterodyn je také složitější než přijímač detektoru. V jednom rozhovoru Bill Gates přiznal: “Vždy jsem byl upřímně ohromen tím, proč počítač vůbec funguje – koneckonců je tak složitý, že by se teoreticky měl okamžitě porouchat.” A jeden z mých přátel si koupil jednoduchý transformátorový zdroj „jako dvakrát dva“. Brzy číslo zahodil: shořel do základů a zároveň dokončil transceiver v hodnotě 800 dolarů. Jak se říká „bez komentáře“.

Prohlášení o „nespolehlivosti“ IPS zní přinejmenším podivně. Dnes se ve světě používá neuvěřitelné množství počítačů, televizí, videorekordérů, faxů, vědeckých a průmyslových zařízení, nabíječek, adaptérů a dalších zařízení, která využívají pulzní konverzi napětí. Pulzní zdroje nacházejí široké uplatnění zejména v automobilové a železniční dopravě, na palubách lodí a letadel. Opravdu se všichni specialisté na výkonovou elektroniku zbláznili, když replikovali miliony kopií takových „nespolehlivých“ produktů, zejména je umístili na místa spojená se zvýšeným nebezpečím?

Co se týče rušení, tam je opravdu problém. Samotný princip činnosti SMPS spočívá ve vytváření silných pulzů s krátkými hranami a také ve výskytu napěťových rázů a tlumených volných oscilací ve vinutí pulzního transformátoru. Tyto spínací procesy předurčují široké spektrum parazitního rádiového vyzařování. V důsledku toho je elektromagnetická kompatibilita SMPS se zařízeními obsahujícími citlivou rádiovou přijímací cestu obtížná. A pokud je pulzní zdroj navržen bez pečlivých konstrukčních úvah, pak se jeho tělo a propojovací vodiče promění v anténu pro šíření rádiového rušení. Takový IIP přirozeně „ucpe“ jakýkoli přijímač.

Rušení je možné snížit na přiměřenou úroveň pomocí relativně jednoduchých komplexních opatření: a) použití komponent elektromagnetické kompatibility (efektivní vstupní a výstupní filtry); b) minimalizace kapacity a vzájemné indukčnosti mezi vysokoproudými pulzními obvody a pouzdrem; c) použití tlumicích obvodů, stínění a uzemnění.

Zde by bylo vhodné provést stručný přehled rozsahu SMPS používaných v radiokomunikacích. Začněme tím, že nejsofistikovanější, 200wattový celovlnný transceiver nejvyšší třídy FT-1000МР Mark-V od spol. Yaesu vybavený standardním SMPS modelem FP-29. Tento Switched Power Supply (anglický název SMPS) má zajímavý obvod hodný pečlivého prostudování [3] a produkuje stabilizovaná napětí 30 V/15 A a 13,8 V/3 A. Yaesu také vyrábí nastavitelný SMPS model FP-1025 pro proud 23 A*.

Podobná situace nastává s nejnovějším vývojem dalších japonských společností, které jsou světovými lídry ve výrobě radiokomunikačních zařízení.

Například velmi pokročilý transceiver IC-756PROII od Icom funguje výborně od PS-85 SMPS (13,8 V/20 A).

Firm Alinco vyrábí 30ampérový zdroj DM-330MVT s nastavitelným (5. 15 V) výstupním napětím pro své transceivery. Zvláštností zdroje je použití patentované funkce „Noise-Offset“, která umožňuje vyladit případný impulsní šum v silových obvodech.

Značkový Vrchol vyrábí se 12ampérový zdroj FP-712.

Firm Kenwood vyrábí kompaktní spínací zdroj model KRS-15 s proudem 20 A.

Firm Daiwa vyrábí 30ampérový napájecí zdroj, model SS-330X.

Nabízí se otázka: napájeli by Japonci svá špičková, ultracitlivá zařízení, která stojí tisíce dolarů, ze špatných zdrojů?

Pojďme se podívat, jak je to v jiných vyspělých zemích světa.

americká firma MFJ, známá svými vynikajícími přenosnými anténními analyzátory, nabízí spínací zdroje MFJ-4125, -4225MV a -4245MV 22A a 40A.

společnost Duracomm (USA), významný výrobce telekomunikačních zařízení, vyváží celou řadu SMPS, například řadu LP ve stolním provedení pro proudy 10, 14, 18, 25 A.

Firm diamant (USA) dodává výkonný regulovaný 40ampérový zdroj model GZV4000, který má číselníkové úchylkoměry.

Firm Astron (USA) nabízí široký výběr pulzních zdrojů, včetně řady SS, skládající se z 5 modelů pro proudy 7, 10, 15, 20, 25 A.

italská firma RM, jehož zařízení je v Rusku široce zastoupeno, vyrábí SMPS modely SPS-20, -30 pro odpovídající proudy.

Kanadská společnost Samlex vyrábí pulzní zdroje modelů SPS-1204UL, SEC-1212, -1223 pro proudy 3,5; 10 a 20 A, skromně poskytující tomuto zařízení 3letou (!) záruku [4].

V zahraničí se tak spínané zdroje umisťují jako naprosto spolehlivé, snadno použitelné a technologicky vyspělé produkty, které nahrazují tradiční lineární zdroje.

Moderní modely SMPS jsou obvykle stavěny pomocí relativně nízkošumového push-pull obvodu pomocí výkonných vysokonapěťových spínacích tranzistorů (bipolárních nebo výkonových MOSFETů s efektem pole) pomocí PWM regulátoru a SMD montáže.

Pokud mluvíme o „vysokých nákladech“ SMPS, znamená to absolutně nevšímat si takových „maličkostí“, jako jsou nové provozní vlastnosti produktů této třídy. Například díky absenci objemných a těžkých dílů má pulzní zdroj vynikající hmotnostní a rozměrové charakteristiky. V praxi se i toto samo o sobě vyplatí hodně: kompaktní SMPS zabere na pracovní ploše minimum místa a v případě potřeby jej bez větších problémů vezmete třeba na chatu (lineární zdroj stejného výkonu je 5. 7krát těžší!)

Spínané zdroje jsou ekonomické a překvapivě málo se zahřívají, protože jejich účinnost dosahuje 95 %. Normálně fungují v domácích sítích s „rozmazaným“ standardem kvality napájení, to znamená se zkreslením sinusového průběhu proudu, kolísáním frekvence a vstupního napětí.

Zdroje lze použít jako nabíječku autobaterií. Mnoho modelů implementuje takzvaný režim „vyrovnávací paměti“, který vám umožňuje připojit záložní baterii pro organizaci nepřerušitelného napájecího systému. SMPS jsou samozřejmě vybaveny všemi typy ochran (proud, napětí, přehřátí).

V současné době jsou SMPS zcela konkurenceschopným produktem na trhu radiokomunikačních zařízení, protože z hlediska klíčového kritéria „špičkový proud/cena“ prakticky nejsou horší než lineární zdroje srovnatelného výkonu.

Které napájení je tedy „lepší“ – lineární nebo spínané? Volbu musí provést uživatel sám, na základě vlastních potřeb a možností. Rád bych doufal, že mu tento článek pomůže objektivněji zvážit všechna pro a proti.

Jako alternativu k nákupu průmyslového SMPS mnoho radioamatérů předělává napájecí zdroje ze starých počítačů. Tato možnost je velmi ekonomická a při správné implementaci poskytuje vynikající výsledky.

1. Grodnev I. – Elektromagnetické stínění v širokém frekvenčním rozsahu. – M.: Komunikace, 1973.

2. Mikroobvody pro spínané zdroje a jejich použití. Adresář. – M.: DODEKA, 1999.

3. YAESY MUSEN Co., Ltd. HF transceiver MARK-V FT-1000MP. Technický dodatek.

4. RÁDIOVÁ ZÁSUVKA HAM. Katalog komunikačních zařízení, léto 2002.

* Zde a níže jsou uvedeny hodnoty trvalého výstupního proudu. Špičkový proud může být o 10. 30 % vyšší v závislosti na modelu zdroje a použité testovací metodě. – A.S.