Если «мозгом» любой автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) является программируемый логический контроллер (ПЛК), то «сердцем» будет источник питания. Блоки питания отличаются цветом, размером, выходным напряжением и наименованием на шильде, но есть у них что-то общее. Это сам принцип работы импульсного стабилизированного блока питания и те требования, которые в него заложены.
Что должен уметь настоящий блок питания?
Разберем по пунктам:
- Превращать «переменку» на входе в «постоянку» нужной величины на выходе. Самое очевидное.
- Удерживать выходное напряжение в приемлемых для потребителя границах. Здесь все бывает по-разному. Кто-то из производителей автоматики делает широкий диапазон входного питания вплоть до 9...40 В, а кто-то – очень узкий, условно 22...28 В. Датчики в этом плане обычно капризнее приборов локальной автоматики. Широкие диапазоны питания встречаются достаточно редко, т.к. это делает прибор дороже и не стабильнее.
- Определенные защитные функции. Блок питания не отменяет автомата в шкафу, но раз уж он преобразовывает напряжение, то провалы, просадки, импульсы и наводки из сети он должен сглаживать, уменьшать и, по возможности, предотвращать. Кроме того, как и робот из рассказа Азимова, даже в случае выхода из строя блок питания не должен выдать в нагрузку чрезмерно большого напряжения.
Приличный блок питания должен соответствовать АСУ ТП по корпусному исполнению, более-менее удобно монтироваться и не влиять (в худшую сторону) на работу других приборов.
Итак, что же из себя представляет простейший блок питания?
Казалось бы, фильтр, трансформатор и выпрямитель – и достаточно. Но не всё так просто. Для преобразования тока на частоте сети 50-60 Гц нужен огромный тяжелый трансформатор, который еще и стоит недешево.
Поэтому во всех источниках питания используется принцип импульсного преобразования, и их официальное наименование начинается со слова импульсный. Такой блок питания состоит из входного и выходного фильтров, входного и выходного выпрямителей, генератора импульсов 20-300 кГц и трансформатора, защищающего нагрузку только от перенапряжений. Преобразований стало больше, но вместо огромного сетевого трансформатора мы получаем крошечный и дешевый импульсный.
Сам процесс изменения сигнала выглядит следующим образом:
Входной фильтр
После фильтра мы получаем классичекий синус 22 0 В 50 Гц. В реальной жизни всё чуть хуже, но большие провалы и просадки уйдут.
Выпрямитель
Первое преобразование энергии. Переменное напряжение преобразуется в постоянное для подачи на генератор импульсов. На выходе 220 В постоянного напряжения.
Генератор импульсов
Второе преобразование энергии. Постоянное напряжение преобразуется в ШИМ-импульсы высокой частоты в десятки и даже сотни килогерц. Напряжение по прежнему 220 В.
Трансформатор
Третье преобразование энергии. Импульсы 220 В преобразуются в импульсы нужной амплитуды, например 24 В. Частота все еще десятки – сотни килогерц.
Выпрямитель и выходной фильтр
Четвертое преобразование энергии. Импульсное напряжение выпрямляется и сглаживается в постоянное. На выходе искомое постоянное напряжение.
Эта схема будет идеальным решением для ситуации, когда на входе у нас стабильное напряжение 220 В. Если же вход «гуляет» в широком диапазоне, выход также будет «гулять». Такая ситуация, к сожалению, обыденность даже для бытовой сети, где в зависимости от времени суток разброс достигает 170-270 В.
В итоге выходное напряжение такого источника питания получается неустойчивым. Поэтому современные источники питания содержат схему регулирования, благодаря которой поддерживаются постоянные выходные параметры при скачках входного напряжения. Также схема обеспечивает защиту от короткого замыкания и перегрузок.