Как выбрать блок питания: мощность и основные характеристики

Блок питания выбирают прежде всего по совместимости с питающей сетью и нагрузкой. Проверяют входные параметры, требуемое выходное напряжение, суммарный ток и мощность потребителей, характер нагрузки и условия эксплуатации. После этого учитывают исполнение, способ монтажа, защитные и дополнительные функции.

Выбирать источник только по мощности неправильно. Для корректного подбора необходимо согласовать три группы параметров: характеристики питающей сети, возможности блока питания и требования подключаемого оборудования.

Короткий алгоритм:

определить параметры нагрузки → выбрать выходное напряжение → рассчитать ток и мощность → учесть режим нагрузки → проверить вход БП → условия эксплуатации → исполнение и функции → сверить выбранную модель с документацией.

Какие характеристики учитывать при выборе блока питания

Нельзя выделить один параметр, который определяет выбор во всех случаях. Например, подходящей мощности недостаточно, если выходное напряжение не соответствует нагрузке или вход источника несовместим с питающей сетью.

При выборе источника необходимо согласовать параметры питающей сети, блока питания и подключаемой нагрузки.

Сначала определите требования нагрузки

Подбор блока питания начинается не с каталога источников, а с оборудования, которое необходимо запитать.

Для каждого потребителя определяют:

• номинальное напряжение питания;
• допустимый диапазон напряжения;
• потребляемый ток или мощность;
• характер потребления;
• наличие существенных пусковых или кратковременных токов;
• требования производителя.

Если от одного источника питаются несколько устройств, необходимо собрать данные по каждому из них.

Например:

ПЛК + датчики + реле + панель оператора → требования каждого устройства → совокупная нагрузка → характеристики блока питания.

Такой подход позволяет сначала определить требования системы, а уже затем отбирать подходящие источники. Иначе можно выбрать БП с достаточной номинальной мощностью, но неподходящим напряжением, входом или режимом работы.

Выходное напряжение блока питания

Выходное напряжение источника должно соответствовать требованиям питаемого оборудования. Для промышленной автоматизации распространенным примером является питание 24 В DC, но это не универсальное напряжение для любых устройств и систем.

Проверять необходимо не только номинальное значение на маркировке оборудования, но и допустимый диапазон его питания. Также учитывают характеристики выхода БП и, если это существенно для конкретной системы, падение напряжения в линии.

Поэтому одинакового номинального напряжения у источника и нагрузки еще недостаточно для окончательного вывода о совместимости. Необходимо убедиться, что параметры выхода БП соответствуют допустимым условиям питания оборудования во всех предусмотренных режимах работы.

Выбор блока питания по току и мощности

Если от одного источника одновременно питаются несколько устройств, их потребление необходимо учитывать совместно.

В простом случае суммарный ток определяют так:

Iнагрузки = I₁ + I₂ + I₃ + …

где I₁, I₂, I₃ – токи отдельных одновременно работающих потребителей.

Однако простого сложения номинальных значений может быть недостаточно. Некоторые устройства в отдельных режимах потребляют больший ток, чем в установившейся работе. Поэтому дополнительно проверяют пусковые токи, кратковременные пики и режим одновременной работы оборудования.

Для соответствующей DC-нагрузки требуемую выходную мощность можно оценить по формуле:

P = U × I

где:

• P – мощность;
• U – напряжение;
• I – ток.

Пример расчета

Допустим, условная система 24 В DC включает ПЛК с потреблением 0,4 А, панель оператора 0,5 А, датчики с суммарным потреблением 0,2 А и реле с суммарным потреблением 0,3 А.

Если эти потребители могут работать одновременно:

Iнагрузки = 0,4 + 0,5 + 0,2 + 0,3 = 1,4 А.

Расчетная мощность такой нагрузки:

P = 24 × 1,4 = 33,6 Вт.

Полученные 1,4 А и 33,6 Вт – не готовые номиналы для выбора конкретного блока питания. После расчета необходимо проверить пусковые и кратковременные нагрузки, условия эксплуатации, возможный derating и характеристики самого источника. Числа в примере условные и показывают только последовательность расчета.

Ток и мощность при выборе БП не следует противопоставлять. Сначала должно соответствовать выходное напряжение, затем проверяют требуемый ток нагрузки и связанную с ним мощность. Источник должен удовлетворять всем этим параметрам одновременно.

Формула P = U × I здесь используется для оценки мощности соответствующей DC-нагрузки и не является универсальным алгоритмом выбора любого источника питания.

При питании нескольких устройств учитывают их совокупное потребление и особенности режимов работы.

Нужен ли запас по мощности

Универсального процента запаса мощности для промышленного блока питания нет. Правило «всегда добавлять 20, 30 или 50 %» не учитывает характеристики конкретной нагрузки и источника.

При определении необходимого резерва учитывают:

• рабочий режим нагрузки;
• пусковые токи и кратковременные пики;
• допустимую перегрузочную способность БП;
• температурный режим;
• возможное снижение допустимой мощности в определенных условиях;
• планируемое расширение системы;
• требования производителей оборудования.

Например, источник с подходящей номинальной мощностью может оказаться неподходящим, если нагрузка имеет кратковременный пик, который превышает допустимую перегрузочную способность БП или приводит к срабатыванию его защиты.

Поэтому необходимый резерв определяют по характеристикам нагрузки и источника, а не по одному универсальному проценту. Если производитель указывает допустимую кратковременную перегрузку, ее величину и продолжительность необходимо оценивать именно по документации конкретной модели.

Входные параметры блока питания

После определения требований нагрузки необходимо проверить, от какого источника будет питаться сам БП.

В зависимости от конкретного изделия учитывают:

• AC- или DC-вход;
• допустимый диапазон входного напряжения;
• частоту сети, если она нормируется для данного исполнения;
• количество фаз для соответствующих устройств;
• другие требования производителя.

Нельзя исходить из того, что любой промышленный блок питания подключается к одной и той же сети. Выбранная модель должна одновременно подходить нагрузке по выходу и имеющемуся источнику энергии по входу.

После выбора модели внешнее подключение рассматривается отдельно в материале «Подключение блока питания: вход, выход и схема подключения».

Условия эксплуатации и derating

Электрических параметров недостаточно для окончательного выбора промышленного блока питания. Необходимо проверить условия, в которых производитель допускает его эксплуатацию.

В зависимости от модели учитывают:

• рабочую температуру;
• влажность;
• высоту эксплуатации, если она нормируется;
• вентиляцию;
• допустимую ориентацию;
• необходимые расстояния до соседнего оборудования;
• степень защиты;
• условия внутри шкафа.

Отдельное значение имеет derating – снижение допустимой нагрузочной способности при определенных условиях эксплуатации. Производитель может ограничивать доступный выходной ток или мощность в части допустимого диапазона условий эксплуатации.

Поэтому указанная номинальная мощность не обязательно доступна при любых допустимых условиях эксплуатации. Конкретную зависимость необходимо брать из документации выбранной модели, а не использовать универсальное температурное правило.

Доступную нагрузочную способность источника оценивают с учетом режима работы и условий эксплуатации.

Монтаж и конструктивное исполнение

Блок питания должен подходить не только электрически, но и конструктивно.

В промышленном оборудовании учитывают:

• монтаж на DIN-рейку, панель или другой предусмотренный способ крепления;
• доступное место в шкафу;
• требования к охлаждению;
• доступность клемм для монтажа и обслуживания;
• допустимую ориентацию оборудования.

Способ крепления, положение блока и необходимые монтажные расстояния зависят от конкретной модели. Их определяют по документации производителя.

Защитные и дополнительные функции

В зависимости от требований системы при выборе блока питания могут иметь значение:

• защита от короткого замыкания;
• ограничение или защита при перегрузке;
• защита от перенапряжения;
• температурная защита;
• сигнализация состояния;
• возможность резервирования;
• параллельная работа;
• регулировка выходного напряжения;
• диагностические функции.

Наличие конкретной функции необходимо проверять у выбранной модели. Например, при оценке защиты от перегрузки важно не только ее наличие, но и то, как источник ведет себя при перегрузке и каким способом восстанавливает нормальную работу. От этого зависит, потребуется ли вмешательство после аварийного режима и как поведет себя питаемое оборудование.

Параллельная работа нескольких источников допустима только тогда, когда она предусмотрена производителем и выполняются указанные им условия.

Дополнительные возможности сами по себе не делают один БП подходящим для системы. Они имеют практическую ценность только тогда, когда соответствуют ее требованиям.

Если необходимо разобраться во внутреннем устройстве источника или принципе импульсного преобразования, эти вопросы относятся к отдельным материалам «Устройство и схема блока питания» и «Импульсный блок питания: устройство, схема и принцип работы».

Пример подбора блока питания для системы автоматизации

Рассмотрим условную систему:

ПЛК + несколько датчиков + реле + панель оператора.

Подбор выполняют последовательно.

1. Определить напряжение питания

По документации каждого устройства проверяют номинальное напряжение и допустимый диапазон питания. Если оборудование должно питаться от общего источника, его требования должны быть совместимы.

2. Рассчитать нагрузку

Определяют потребляемый ток каждого одновременно работающего устройства и получают суммарное значение. Если характеристики заданы через мощность, используют соответствующие данные производителя.

3. Проверить режим работы

Учитывают пусковые и кратковременные токи там, где они присутствуют, а также возможные изменения потребления в разных режимах оборудования.

4. Определить требования к источнику

По напряжению, току и режиму нагрузки определяют требуемые выходные характеристики. Проверяют, способен ли БП обеспечить как установившийся, так и предусмотренный кратковременный режим.

5. Проверить вход и условия эксплуатации

Выбранный источник должен соответствовать имеющемуся входному питанию. Затем проверяют температуру, монтаж, вентиляцию и возможный derating.

6. Проверить исполнение и функции

Оценивают способ монтажа, необходимые защиты, сигнализацию, резервирование и другие функции, которые действительно требуются системе.

7. Сверить выбранную модель с документацией

Финальный выбор выполняют по технической документации производителя. Она должна подтверждать соответствие входных и выходных характеристик, режимов нагрузки, условий эксплуатации и необходимых функций.

После выбора источника порядок его монтажа рассматривается отдельно в материале «Подключение блока питания». Если уже установленный источник работает неправильно, дальнейшая проверка относится к статье «Неисправности блока питания: причины, проверка и диагностика».

Подбор блока питания начинается с параметров нагрузки и заканчивается проверкой условий эксплуатации и характеристик источника.

Частые ошибки при выборе блока питания

Перед покупкой полезно пройти алгоритм в обратном порядке: выбранная модель должна удовлетворять требованиям нагрузки, условиям эксплуатации и входному питанию одновременно. Если хотя бы один обязательный параметр не соответствует системе, подходящая мощность сама по себе не делает источник совместимым.

Часто задаваемые вопросы