Блоки питания и преобразователи напряжения в DIY-проектах
Чем отличаются блоки питания AC/DC и преобразователи DC/DC, какие бывают линейные и импульсные схемы и как их выбирать.
Блок питания: из розетки в постоянный ток
Электронные компоненты, и в первую очередь микроконтроллеры и процессоры, не работают напрямую от сетевых 220 В переменного тока. Блок питания (БП) выпрямляет напряжение и приводит его к нужному уровню — как правило, понижает. Из-за функции выпрямления такие устройства обозначают AC/DC: «переменный ток / постоянный ток».
Главные параметры БП — выходное напряжение и сила тока (мощность). Они указаны на этикетке. Например, блок с входом 100–240 В переменного тока и выходом 24 В, 5 А отдаёт до 120 Вт. Учитывать нужно оба параметра: при ошибке устройство либо не запустится, либо выйдет из строя само или повредит блок питания.
По конструкции блоки делятся на трансформаторные и импульсные. Первые тяжёлые, но надёжные и стабильные; вторые лёгкие и современные, однако при некачественной сборке могут выдавать нестабильное напряжение. Собирать сетевой БП самостоятельно при нынешнем выборе готовых нет смысла, да и с точки зрения безопасности не стоит — достаточно внимательно смотреть на заявленные характеристики и с осторожностью относиться к сомнительным производителям.
Стабильность выходного напряжения
Есть параметр, о котором производители пишут редко: насколько ровным получается напряжение на выходе. На осциллографе у многих блоков вместо прямой линии видна «пила», волны или отдельные выбросы вверх и вниз.
Светодиодной ленте или мотору это безразлично, а вот у чувствительной электроники такие неровности вызывают сбои, самопроизвольные перезагрузки и даже отказы. Особенно страдает работа с аналоговыми сигналами, поскольку «плавает» опорное напряжение.
Лучший способ проверки — осциллограф, хватит и самого простого, причём измерять нужно под рабочей нагрузкой. Мультиметр покажет только медленные колебания. Ещё один приём — временно поставить более мощный и заведомо надёжный блок: если часть симптомов исчезла, причина в питании. Запас по мощности в целом полезен, особенно при индуктивной нагрузке вроде моторов, которые при пуске потребляют повышенный ток; перезагрузка контроллера в момент включения мощного потребителя — признак того, что блок слабоват.
Зачем нужны преобразователи DC/DC
В одном устройстве обычно требуется несколько напряжений. Логика работает от 5 или 3,3 В, исполнительные механизмы — от 5 В и выше, часто от 12 или 24 В. Батареи и аккумуляторы дают то меньше нужного (1,5–2,7 В), то больше (12–24 В), и к тому же их напряжение меняется по мере разряда. Блоки с несколькими выходами существуют — например, компьютерные, — но для большинства задач они избыточны. Поэтому разные уровни внутри устройства получают с помощью преобразователей постоянного напряжения, или DC/DC. Выглядеть они могут как угодно: от одной микросхемы до крупной платы со множеством деталей.
Основные характеристики преобразователя: входное и выходное напряжение, мощность, направление преобразования (понижение или повышение), допустимый диапазон входных напряжений и возможность регулировки выхода.
Линейные преобразователи
Простейший вариант — линейный стабилизатор, одна деталь в корпусе ТО-220, по сути саморегулирующийся резистивный делитель. Характерный пример — LM7805. Он выдаёт точные 5 В при входном напряжении от 7 до 40 В, отдаёт ток до 1 А, очень дёшев и требует в обвязке лишь двух керамических конденсаторов.
Обратная сторона — нагрев: всё избыточное напряжение превращается в тепло, и чем больше нагрузка и разница между входом и выходом, тем сильнее. Если температура превышает 60–70 градусов, нужен радиатор. Мощность ограничена даже при хорошем охлаждении, работает стабилизатор только на понижение, причём на входе необходим запас по напряжению.
Линейные стабилизаторы выпускаются на целый ряд фиксированных напряжений. Есть и регулируемые, где выход задаётся резисторами в обвязке, в том числе переменными; самый распространённый из них — LM317. Схема включения у него немного сложнее, но гибче, а недостатки те же: ограниченная мощность и перегрев.
Импульсные преобразователи
Когда нужна большая мощность и меньший нагрев, применяют импульсные DC/DC — сборки из нескольких компонентов. Они бывают понижающими и повышающими, фиксированными и регулируемыми. Устроены сложнее, но при тех же параметрах греются гораздо меньше и потому имеют более высокий КПД. В повышающем регулируемом модуле за подъём напряжения отвечает катушка индуктивности, а за настройку — многооборотный подстроечный резистор. Существуют и универсальные модули, которые умеют и повышать, и понижать, но без особой необходимости к ним лучше не прибегать.
Если требуемое напряжение известно заранее, предпочтителен преобразователь с фиксированным выходом. У регулируемого выставленное значение зависит от температуры и влажности и со временем уходит, обычно в меньшую сторону, так что его приходится перепроверять. К тому же неосторожный поворот регулировки способен подать завышенное напряжение и сжечь всё, что подключено дальше. Сглаживает ли преобразователь пульсации блока питания, зависит от конструкции: он может убрать их полностью, частично или просто повторить в пропорции.
Общее правило такое: линейные стабилизаторы уместны при небольшом токе и ограниченном бюджете, во всех остальных случаях выбирают импульсные. Стабилитрон (диод Зенера) для питания не годится — тока хватит разве что на сигнальный светодиод; его задачи — формирование опорного напряжения и защита схемы от превышения.
Комбинированные устройства
Преобразователь нередко входит в состав более сложных модулей. Один из самых полезных — аналог источника бесперебойного питания: у него есть вход внешнего питания, выход на нагрузку и разъём для аккумулятора. Пока внешнее питание есть, оно стабилизируется и подаётся на выход, одновременно заряжая аккумулятор. При пропадании питания нагрузка автоматически переходит на аккумулятор, а встроенный преобразователь поднимает его напряжение (у Li-Po — не более 3,7 В) до рабочих 5 В. Такие модули нужны там, где внезапное отключение недопустимо: в охранных системах, медицинских приборах, устройствах связи и наблюдения.
Узнать степень разряда в подобной схеме можно, подав плюс аккумулятора напрямую на аналоговый вход контроллера, — по напряжению рассчитывают остаток заряда и заранее сигнализируют о проблеме. К этой же группе относятся платы для солнечных батарей и драйверы двигателей автономных роботов и квадрокоптеров. Различаются они дополнительными функциями, а ключевые параметры те же: мощность, входное и выходное напряжение.