Что такое импульсный блок питания: Импульсный блок питания или линейный — БилдоМан

Содержание

Импульсный блок питания или линейный

13-01-2013

Импульсный блок питания или линейный. История вопроса

Наверно ни для кого не секрет, что большинство специалистов, радиолюбителей и просто технически грамотных покупателей источников питания с опаской относятся к импульсным блокам питания, отдавая предпочтение линейным.

Причина проста и понятна. Репутация импульсных блоков питания серьезно подорвана еще в 80-х годах, во времена массовых отказов отечественных цветных телевизоров, низкокачественной импортной видеотехники, оснащенных первыми импульсными блоками питания.

Что мы имеем на сегодняшний день? Практически во всех современных телевизорах, видеоаппаратуре, бытовой технике, компьютерах используются импульсные блоки питания. Все меньше и меньше сфер применения линейных (аналоговых, параметрических) источников.

Линейный источник электропитания сегодня в бытовой аппаратуре практически не найдёшь. А стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на бурный прогресс электроники, преодоление стереотипов происходит очень медленно.

Давайте попробуем объективно посмотреть на сегодняшнее положение и попробуем изменить мнение специалистов. Рассмотрим «стереотипные» и присущие импульсным блокам питания недостатки: сложность, ненадёжность, помехи.

Импульсный блок питания. Стереотип «сложность»

Да, импульсные блоки питания сложные, точнее сказать сложнее аналоговых, но намного проще компьютера или телевизора. Вам не нужно разбираться в их схемотехнике, так же как и в схемотехнике цветного телевизора. Оставьте это профессионалам. Для профессионалов там нет ничего сложного.

Импульсный блок питания. Стереотип «ненадёжность»

Элементная база импульсного блока питания не стоит на месте. Современная комплектация, применяемая в импульсных блоках питания, позволяет сегодня с уверенностью сказать: ненадёжность – это миф. В основном надежность импульсного блока питания, как и любого другого оборудования, зависит от качества применяемой элементной базы. Чем дороже импульсный блок питания, тем дороже элементная база в нем. Высокая интеграция позволяет реализовать большое количество встроенных защит, которые порой недоступны в линейных источниках.

Импульсный блок питания. Стереотип «помехи»

В схемотехнике импульсных блоков питания заложено формирование мощных импульсов и затухающих колебаний в обмотках трансформатора. Эти коммутационные процессы предопределяют широкий спектр паразитного излучения.
Поэтому корпус и соединительные провода источника могут стать антенной для излучения радиопомех. Но если конструкция импульсного блока питания тщательно проработана, о помехах можно забыть. Кроме этого, благодаря современным технологиям импульсные блоки питания позволяют существенно сгладить пульсации сетевого напряжения.

А какие достоинства импульсного блока питания?

Импульсный блок питания.

Высокий КПД

Высокий КПД (до 98%) импульсного блока питания связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом источнике это сетевой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В импульсном блоке питания нет ни того ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора — ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии в импульсном блоке питания минимальны. КПД аналогового источника может быть порядка 50 %, то есть половина его энергии (и ваших денег) уходит на нагрев окружающего воздуха, проще говоря, улетают на ветер.

Импульсный блок питания. Небольшой вес

Импульсный блок питания имеет меньший вес за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса импульсного блока питания в разы меньше аналогового.

Импульсный блок питания. Меньшая стоимость

Спрос рождает предложение. Благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности сегодня мы имеем низкие цены силовой базы импульсных блоков питания. Чем больше выходная мощность, тем дешевле стоит источник по сравнению со стоимостью аналогичного линейного источника. Кроме того, главные компоненты аналогового источника (медь, железо трансформатора, радиаторы из алюминия) постоянно дорожают.

Импульсный блок питания. Надёжность

Вы не ослышались, надежность. На сегодняшний момент импульсные блоки питания надёжнее линейных за счет наличия в современных блоках питаниях встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например, от короткого замыкания, перегрузки, скачков напряжения, переполюсовки выходных цепей. Высокий КПД обуславливает меньшие теплопотери, что в свою очередь обуславливает меньший перегрев элементной базы импульсного блока питания, что так же является показателем надёжности.

Импульсный блок питания.

Требования к сетевому напряжению

Что творится в отечественных электросетях, вы наверно знаете не понаслышке. 220 Вольт в розетке скорее редкость, чем норма. А импульсные блоки питания допускают широчайший диапазон питающего напряжения, недостижимого для линейного. Типовой нижний порог сетевого напряжения для импульсного блока питания — 90…110 В, любой аналоговый источник при таком напряжении в лучшем случае «сорвется в пульсации» или просто отключится.

Итак, импульсный или линейный? Выбор в любом случае за вами, мы лишь хотели помочь вам объективно взглянуть на импульсные блоки питания и сделать правильный выбор. Только не забывайте, что качественный источник – это источник сделанный профессионально, на базе качественных комплектующих. А качество это всегда цена. Бесплатный сыр только в мышеловке. Впрочем последняя фраза в равной мере относится к любому источнику, и к импульсному и к аналоговому.

Импульсные блоки питания — устройство, применение, неисправности и ремонт

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Среди всех блоков питания можно выделить два основных типа:

линейные;
импульсные (инверторные) источники.

В подавляющем большинстве случаев линейный источник питания состоит из трансформатора, преобразующего переменное напряжение, силового выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора. Линейные блоки питания наиболее просты в схемотехническом плане и имеют низкий уровень помех.

Самый крупный недостаток — большие габариты и вес понижающего трансформатора и низкий КПД, особенно в случае большой нестабильности входного напряжения. Массивный силовой трансформатор с большой тепловой инерционностью затрудняет даже принудительное охлаждение при больших нагрузках.

Основные отличия импульсных стабилизаторов.

Импульсные источники питания тоже имеют в составе понижающий трансформатор. Только в данном случае он работает на высокой частоте и имеет несравненно меньшие габариты и массу. Малые габариты элементов облегчают отвод тепла пассивными (применение радиаторов) и активными (вентиляторы) методами.

При фильтрации и стабилизации высокочастотного напряжения с выхода импульсного трансформатора упрощается построение выходных фильтров, поскольку для фильтрации пульсаций напряжения высокой частоты нужна меньшая емкость конденсаторов.

Инверторным блокам питания присущи несколько существенных недостатков — сложное устройство, высокий уровень электромагнитных помех и, в некоторых случаях, гальваническая связь выходных и входных цепей.

Впрочем, отработанная схемотехника подобных устройств в настоящее время уже не считается сложной, а помехи снижаются путем грамотного расчета узлов и дополнительной экранировкой.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Импульсный блок питания состоит из следующих элементов:

входной выпрямитель;
блок конденсаторов;
схема управления;
выходные ключи;
импульсный трансформатор;
вторичные (выходные) стабилизаторы и фильтры.

За счет того, что входное напряжение сначала преобразуется в постоянное, а затем обратно в переменное, точнее, в импульсы высокой частоты, импульсный высокочастотный трансформатор имеет очень малые габариты. Трансформатор преобразует высокочастотное переменное напряжение, поступающее от мощных транзисторных выходных ключей, которые, в свою очередь управляются широтно-импульсным (ШИМ) контроллером.

Такое название схема управления получила из-за того, что изменяя частоту и ширину (длительность) импульсов, можно регулировать время открытия ключевых транзисторов, изменяя, таким образом, значение выходного напряжения.

На ШИМ — контроллер (обычно это одна специализированная микросхема), поступает напряжение обратной связи с выхода блока питания или иные управляющие сигналы. Таким образом можно получить любые алгоритмы стабилизации выходного напряжения.

Стоит отметить, что наибольшей сложностью обладают устройства, которые предназначены для формирования нескольких значений напряжения на выходе с высокими требованиями к стабильности каждого из них. Как пример можно назвать блоки питания персональных компьютеров, телевизоров и других сложных устройств.

Такие блоки питания, как зарядные устройства для мобильных телефонов или иных маломощных гаджетов содержат малогабаритные специализированные микросхемы, в которых уже интегрированы все необходимые элементы. Такие блоки содержат минимум деталей и ремонтируются только энтузиастами, поскольку стоимость отдельных элементов порой сравнима со стоимостью нового зарядного устройства.

Часто производители бытовой техники вообще не предусматривают ремонт, выполняя корпус устройства неразборным или заливая печатную плату вместе с элементами специальным компаундом.

Высокий уровень помех импульсных устройств обусловлен тем, что управляющие импульсы высокой частоты имеют практически прямоугольную форму и поэтому имеют высокий уровень гармонических составляющих в большом диапазоне частот. Мощные транзисторы в момент переключения также становятся сильными источниками электромагнитного излучения. Для снижения помех схемы обычно дополняются помехоподавляющими цепями и заключаются в экранирующий корпус.

Малые габариты устройства и наличие схемы управления позволяют дополнить схемотехнику самыми различными схемами контроля как входного, так и любых выходных цепей, включая программное управление характеристиками.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Импульсные блоки питания в настоящее время используются в подавляющем большинстве устройств мощностью от долей ватта до единиц киловатт. Верхний предел ограничен параметрами выпускаемых на текущий момент транзисторов. Это ограничение можно обойти довольно просто, соединяя несколько идентичных маломощных блоков питания параллельно.

Для одинаковой и равномерной нагрузки отдельных составляющих, они объединяются по сигналам обратной связи. Постоянное совершенствование технологии разработки и конструирования полупроводниковых приборов, создание новых классов транзисторов (IGBT, MOSFET) стимулирует создание все более мощных импульсных устройств.

Даже большое число параллельно включенных устройств по массе и габаритам значительно меньше аналогичного по мощности понижающего трансформатора стандартной частоты 50 Гц, поэтому очень часто делают некоторый избыток блоков для того, чтобы при выходе одного из них он автоматически выключался и работа устройств не нарушалась.

Сам принцип работы обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения. Например импульсные блоки питания бытовых устройств при нормальном напряжении сети 220 В, способны работать вплоть до диапазона 80 — 250 В, то есть при таких напряжениях, когда обычный линейный стабилизатор выходит из границ стабильной работы.

ТИПОВЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И РЕМОНТ

Как ни странно будет звучать, но импульсным блокам питания гораздо страшнее низкое входное напряжения, чем высокое. Верхний предел обычно ограничен номинальным напряжением электролитических конденсаторов фильтра и допустимым обратным напряжением выпрямительных диодов.

Длительная работа при пониженном входном напряжении вызывает перегрев и тепловой пробой ключевых транзисторов, поскольку, чем ниже напряжение на входе, тем больше время открытия ключей для получения нужного напряжения на выходе трансформатора.

Многие импульсные блоки питания нестабильно работают, когда нагрузка выхода имеет малое значение или вообще отсутствует. Отсутствие обратной связи на входе ШИМ контроллера приводит к тому, что транзисторные ключи полностью открываются и блок выходит из строя буквально через несколько минут. Соответствующие схемные решения позволяют избавиться от такого недостатка.

Наиболее часто неисправности импульсных блоков питания вызываются:

выходом из строя диодов выпрямительного моста;
электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра;
ключевых транзисторов.

Такое обычно происходит в случае сильно завышенного входного напряжения или длительной работы при пониженном. В подавляющем большинстве случаев даже нет необходимости в измерительных приборах — повреждения видны невооруженным глазом по разрушенным и вздувшимся элементам.

Гораздо реже выходят из строя элементы управляющей схемы (ШИМ-контроллера) и обратной связи. В данном случае без измерений не обойтись.

Крайне редки случаи повреждения импульсного трансформатора. Обычно их габариты позволяют выполнять сборку с большими запасами по току и мощности. Поэтому неисправности случаются только при некачественном выполнении.

Практика ремонтов показывает, что львиная доля неисправностей происходит по причине крайне низкого качества некоторых типов электролитических конденсаторов.

Падение емкости или большое внутреннее сопротивление конденсаторов выходных цепей может приводить к неправильной работе обратной связи, в результате чего выходное напряжение перестает соответствовать норме.

В некоторых случаях конденсаторы могут вызывать срабатывание защиты. Внешне неисправные конденсаторы могут иметь вздутие на торцах корпуса. Такие элементы следует менять на исправные, не тратя время на их проверку.

Обычно ремонт серьезных импульсных блоков питания требует несколько большей квалификации специалистов, чем ремонт традиционных схем и требует таких измерительных приборов, как осциллограф.

Внимание!

Часть элементов схемы блока питания находится под напряжением сети. Это выпрямительные диоды, конденсаторы, ключевые транзисторы и первичная обмотка импульсного трансформатора.

Ремонт таких устройств можно выполнять только при отключенном блоке с разряженными конденсаторами фильтра. В крайнем случае можно производить некоторые работы и под напряжением, но только с обязательной гальванической развязкой блока от питающей сети через разделительный трансформатор.

Для исключения попадания электромагнитных помех в питающую сеть, на входе блока обычно ставят помехоподавляющий фильтр, элементы которого соединены непосредственно с экранирующим кожухом. Таким образом, кожух оказывается гальванически связан с проводами питающей сети.

При прикосновении к корпусу прибора можно получить удар электрическим током, опасным для жизни. Для обеспечения безопасности, все импульсные блоки питания должны быть в обязательном порядке заземлены или иметь корпус из изоляционного материала.

Современное бытовое оборудование и часть промышленного позволяют производить заземление непосредственно через шнур питания. Для этого в паре розетка — вилка предусмотрены отдельные контакты для подключения заземления.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Чем отличается импульсный блок питания от обычного: особенности и отличия

Обновлено: 23.04.2021 12:51:21

Подавляющее большинство современной электроники работает на постоянном токе с малыми значениями силы и напряжения. Например, роутеры потребляют 12 вольт и 5 ампер, а смартфоны в большинстве случаев – 5 вольт и 2 ампера. Вот только в бытовой сети распространяется совершенно другой ток – переменный, с частотой 60 Гц, напряжением 220 вольт и (обычно) силой до 6 ампер.

Соответственно, для использования электронных приборов в бытовой сети этот ток надо как-то преобразовать. Для этих целей и используются блоки питания. Их задача – трансформация тока для придания ему определённых параметров напряжения, силы, а также частоты (превращения переменного в постоянный).

И если требуется выбрать подходящий блок питания либо соорудить самостоятельно, то чаще всего можно встретить два варианта – обычный, он же трансформаторный, и импульсный. И в чём разница, кроме конструкционной сложности, не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы разберёмся, чем отличается импульсный блок питания от обычного, рассмотрим их особенности и отличия.

Обычные блоки питания (трансформаторного типа)

Трансформаторные блоки питания – одни из первых устройств для преобразования электричества. Они относятся к аналоговому типу, отличаются конструкционной простотой и сравнительно высокой надёжностью. Впрочем, и существенные недостатки вроде слишком крупных габаритов у них также имеются.

Основной функциональный элемент таких БП – трансформатор. Он состоит из двух индукционных катушек. На первую подаётся электричество из бытовой 220-вольтовой сети и создаёт электромагнитное поле. Оно, в свою очередь, наводит индукцию и создаёт электродвижущую силу на второй. Таким образом достигается понижение напряжения.

В дальнейшем электрический ток, созданный на понижающей катушке, передаётся на выпрямляющее устройство. Как правило, оно состоит из нескольких силовых диодов, включённых по схеме моста. Для сглаживания пульсирующего напряжения используется конденсатор, подключённый параллельно диодному мосту, а затем силовые транзисторы его стабилизируют.

В итоге на выходе формируется постоянный ток заданного напряжения и силы. Для регулирования параметров его работы используются специальные резисторы подстройки, включаемые в схему стабилизации.

Обычные БП (трансформаторного типа) характеризуются максимальной конструкционной простотой. В принципиальной схеме элементарного устройства – всего три детали: система катушек, диодный мост и конденсатор.

Ключевые достоинства обычных блоков питания:

Простота сборки и конструирования. БП необходимой мощности можно собрать самостоятельно – достаточно лишь понимать принцип работы и точно осознавать, для каких целей планируется использовать аппарат;
Высокая надёжность и долговечность. При правильной эксплуатации срок работы аппаратов практически не ограничен. Так, сегодня ещё можно найти функционирующие модели, выпущенные более нескольких десятилетий назад;
Доступность комплектующих. Все необходимые детали можно приобрести на радиорынках, у радиолюбителей и в специальных магазинах, заказывать какие-то определённые микросхемы из-за рубежа не требуется;
Не создают паразитные радиоволновые токи. Благодаря этому помехи в питающей сети или в конечных потребителях практически не наблюдаются.

Ключевые недостатки обычных блоков питания:

Низкий КПД. При передаче электричества трансформаторным способом огромная часть мощности просто теряется. Кроме того, из-за использования стабилизатора на выходе для получения стабильных параметров работы часть КПД дополнительно теряется;
Крупногабаритные. Причём чем мощнее БП – тем больше его вес и размеры. Как следствие, высокомощные и вовсе могут быть маломобильными;
Создают значительное электромагнитное поле. Тем самым они могут образовывать наводки в других линиях передачи сигнала – например, коаксиальных кабелях или «витой паре».

Все эти недостатки оказываются настолько критическими, что сегодня обычные БП в быту практически не используются. Вместо этого применяются импульсные.

Импульсные блоки питания

Импульсные блоки питания имеют сложную конструкцию и являются устройствами инверторного типа. Их ключевое отличие от обычных заключается в том, что входное напряжение подаётся сразу на выпрямитель. Затем оно формирует импульсы определённой частоты. За это отвечает отдельная подсистема управления, так что импульсные БП являются полноценными цифровыми устройствами.

Поскольку импульсные БП отличаются конструкционной и принципиальной сложностью, рассматривать схему их работы в рамках этой статьи не целесообразно. и

Ток из сети поступает на сетевой фильтр, минимизирующий входящие и исходящие искажения;
Преобразователь трансформирует синусоиду переменного тока в импульсный постоянный ток;
Инвертор, контролируемый через модуль управления, формирует из импульсного постоянного тока прямоугольные высокочастотные сигналы;
Ток поступает на импульсный трансформатор, который подаёт напряжение на различные элементы самого БП, а также на нагрузку;
После этого ток поступает на выходной выпрямитель, а затем сглаживается на выходном фильтре.

Такая система обеспечивает не только высокий коэффициент полезного действия, но и малые размеры устройства. Причём чем выше частота импульсов – тем компактнее БП за счёт уменьшения габаритов трансформатора.

Ключевые достоинства импульсных блоков питания:

Высокий КПД, составляющий, как правило, около 98%. Небольшие потери создаются их-за переходных процессов, возникающих при переключении ключа. Но они слишком незначительны, чтобы брать их в расчёт;
Компактные размеры и малый вес. Это достигается за счёт того, что импульсным БП не требуется массивный трансформатор.

Ключевые недостатки импульсных блоков питания:

Конструкционная сложность. Собрать такое устройство в домашних условиях без знаний в области электроники или электротехники практически невозможно;
Заметный нагрев при работе. Поэтому высокомощные импульсные БП оснащаются дополнительными системами охлаждения, которые приводят к увеличению размера и массы устройства;
Наличие высокочастотных помех. Как следствие, для использования в чувствительной аппаратуре такие блоки питания оснащаются фильтром помех, но и он не даёт 100% защиты от такого «мусорного сигнала»;
Мощность нагрузки должна входить в номинальный диапазон. При превышении или понижении её будут наблюдаться изменения выходного напряжения. Как правило, производители предусматривают это явление и устанавливают защиту от подобных нештатных ситуаций.

Компактные размеры и высокое значение КПД помогли импульсным БП распространиться максимально широко. Сегодня они применяются в зарядных устройствах мобильной электроники, компьютерной и бытовой техники, а также в системах электронного балласта осветительных приборов.

Сравнение импульсного и обычного блоков питания

Сравним эти два типа устройств, определив, какие лучше использовать в той или иной ситуации.

Тип блока питания	Обычный (трансформаторный)	Импульсный
Принцип работы	Напряжение сначала понижается, а затем выравнивается	Напряжение сначала преобразуется, а затем понижается
Использование	Некоторые высокоточные и чувствительные к ВЧ-помехам устройства	Практически повсеместно
Коэффициент полезного действия	Небольшой, особенно с учётом потерь на стабилизаторе	Как правило, 98%
Габариты	Как правило, крупные	Как правило, малые
Высокочастотные помехи в выходном токе	Нет	Могут быть
Требование максимальной и минимальной мощностей нагрузки	Нет	Да

При прочих равных предпочтительнее использовать импульсные БП. Они обеспечивают больший КПД, а ещё весят от нескольких десятков граммов. Но в некоторых высокоточных, прецизионных устройствах лучше применять обычные (трансформаторные) модели, поскольку они не засоряют выходной сигнал помехами.

Оцените статью
	Всего голосов: 1, рейтинг: 5

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования. p>

Трансформаторные блоки питания

Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра. Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.

Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Достоинства трансформаторных блоков питания

● Простота в конструировании
● Высокая надежность
● Доступность составляющих компонентов
● Отсутствие паразитных радио-волновых помех (Отличия блоков питания от импульсных блоков питания, которые создают помехи в виде напряжений и токов синусоидальной формы, которые во много раз выше частоты электросети)
● Имеющиеся недостатки трансформаторных блоков питания
● Солидный вес и размеры, особенно высокомощные
● Для изготовления требуется много железа
● Компромиссное решение относительно уменьшения КПД и высокой стабильностью напряжения на выходе: для получения стабильного напряжения необходим стабилизатор, с применением которого появляются дополнительные потери.

Импульсные блоки питания

Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот.

[adsens]

В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы — это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока. Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.

Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки. Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном.

С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Достоинства импульсных блоков питания

● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:
● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.
● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.

Выбор блока питания — E-core

В статье пойдет речь о выборе сетевого блока питания (который подключается к сети переменного тока 230В или 400В).
Под блоком питания понимается как обособленное устройство (адаптер), так и часть устройства. В качестве трансформаторного блока питания понимается блок питания на базе низкочастотного трансформатора. Под импульсным понимается блок питания со схемой формирования высокочастотных импульсов и высокочастотным трансформатором (дросселем в случае с flayback).

Итак Вы проектируете устройство или же оно у Вас уже имеется и его нужно запитать от сети т.е. нужен БП. Какой БП выбрать: трансформаторный или импульсный ? Однозначного ответа тут не может быть, у каждого типа блоков питания есть свои преимущества, недостатки и особенности, о них мы и поговорим в этой статье.

Сравнение и выбор блока питания будем выполнять по следующим основным критериям:

— развязка с сетью;
— пульсации и помехи;
— стабильность выходного напряжения.

Развязка с сетью

Предполагается, что выбираемый блок питания обеспечивает гальваническую развязку с сетью. Какой же из двух видов блоков питания обеспечит максимальную развязку ?
На первый взгляд выбор очевиден — трансформаторный блок питания так как импульсный имеет в своем составе Y конденсатор (или даже несколько) между входом и выходом.

Теоретически трансформаторный блок питания действительно обеспечивает полную развязку с сетью, но на практике это не всегда так, особенно для тороидальных трансформаторов.

При изготовлении тороидальных трансформаторов вторичная обмотка наматывается поверх первичной и между ними образуется паразитный конденсатор. При этом к паразитному конденсатору приложено переменное напряжение сети.
К сожалению значение межобмоточной емкости трансформаторов производители никак не нормируют.и узнать его можно только фактическим измерением «на месте». Общая тенденция такая, что чем выше мощность (размер) трансформатора, тем выше межобмоточная емкость. Кроме размера трансформатора, на значение межобмоточной емкости влияет качество изоляции.

Для примера на фото ниже приведены результаты измерения межобмоточной емкости различных тороидальных трансформаторов. Емкость измерялась RLC метром Е7-22 при частоте 120 Гц.

У Ш образных трансформаторов, обычно, первичная и вторичные обмотки разделены на отдельные секции, поэтому значение межобмоточной емкости значительно меньше.

Вернемся к импульсным блокам питания. Типовое значение емкости Y конденсатора между входом и выходом 2,2 нФ. Часто можно встретить более высокое значение вплоть до 4,7 нФ, реже меньшее значение 1 нФ.
Таким образом блок питания на мощном тороидальном трансформаторе между входом и выходом может иметь емкость соизмеримую или даже большую, чем в качественном импульсном блоке питания. При этом наличие емкости в импульсном блоке питания известно, а вот о такой особенности тороидального трансформатора обычно нигде не указывается.

Чем же «вредна» эта самая емкость ?
Прежде всего паразитным потенциалом на выходе относительно земли. Этот потенциал может составлять десятки вольт, и при касании выхода блока питания (или запитанного им устройства) заземленным паяльником или просто рукой, приводить к выходу устройства из строя.

В импульсных источниках питания для снижения потенциала на выходе относительно земли и дополнительного снижения помех устанавливают конденсаторы между выходом и заземлением. Рекомендуемая суммарная емкость конденсаторов не более 20 нФ.

Поскольку указанные конденсаторы устанавливаются не во все импульсные блоки питания, а величина межобмоточной емкости для тороидальных трансформаторов не нормируется, то при их использовании рекомендуется проверять наличие паразитного потенциала на выходе. Для этого можно использовать мультиметр в режиме измерения переменного напряжения и при включенном блоке питания один щуп взять в руку (или соединить с заземлением) второй соединить с выходом блока питания.

Другое негативное влияние межобмоточной емкости — проникновении сетевых помех. При этом импульсные блоки питания оказываются в более выигрышном положении т. к. у них в большинстве случаев устанавливается входной фильтр. Этот фильтр препятствует проникновению помех в сеть от импульсного блока питания и наоборот.

Итог. При выборе блока питания, если Вам требуется максимальная развязка с сетью, то лучше использовать трансформаторный блок питания с Ш сердечником и разделенными обмотками. При этом нужно учитывать, что Ш трансформатор имеет большее поле рассеяния и может наводить помеху 50 Гц. В некоторых особо чувствительных приборах устанавливаются последовательно два тороидальных трансформатора, чем обеспечивается высокая развязка и малая помеха 50 Гц.

Пульсации и помехи

Понятия пульсации и помехи достаточно близкие и могут иметь различное толкование. В данной статье под пульсациями понимаются колебания напряжения/тока вызванные естественными процессами. Под помехами понимаются колебания(выбросы) напряжения/тока вызванные различными «паразитными» явлениями. Например: колебания напряжения на выходе источника питания после выпрямителя и LC фильтра — пульсации. Всплески напряжения, вызываемые коммутацией ключей — помехи. Еще пример: колебания напряжения на выходе трансформаторного блока питания после выпрямителя и фильтра с частотой 100Гц — пульсации, наводимые полем рассеяния колебания напряжения в схеме — помехи. Грубо говоря помеха это неестественное (мешающее) колебание напряжения.
Может быть такая классификация не совсем научная и правильная, но она позволяет упростить изложение материала.

Для начала разберемся с пульсациями.
В случае с трансформаторным блоком питания пульсации выходного напряжения обычно выше, чем у импульсного (стабилизированного) блока питания. Это связанно с низкой частотой импульсов напряжения на выходе выпрямителя трансформаторного блока питания. Однако низкочастотные пульсации трансформаторного блока питания эффективно подавляются аналоговыми схемами (операционные усилители, линейные стабилизаторы и др.). Частота пульсаций импульсного блока питания составляет десятки и даже сотни килогерц. Степень подавления таких высокочастотных пульсаций по питанию аналоговых схем значительно меньше и они могут «проникать» на их выход. Например в схеме входного тракта АЦП на операционном усилителе пульсации по питанию могут накладываться на полезный сигнал. Для подавления высокочастотных пульсаций по цепям питания операционных усилителей часто используются RC фильтры: резистор сопротивлением 10-100 Ом и керамический конденсатор емкостью 0,1-10 мкФ. Если требуется уменьшить пульсации импульсного блока питания в силовой цепи, то используются дополнительные LC фильтры.

С помехами дело обстоит гораздо хуже.
Если величина пульсаций более менее поддается анализу на этапе проектирования, то оценить величину помех сложно.

В случае с трансформаторным блоком питания помехи создаются полем рассеяния трансформатора, у тороидальных трансформаторов оно меньше у Ш образных больше. Особенно «страдают» от этих помех аналоговые схемы, обрабатывающие низкоуровневые сигналы (прецизионные мультметры, усилители звуковой частоты, радио аппаратура). Для подавления помех от низкочастотного трансформатора используются экранирующие оболочки (кожухи) из стали или жести.

В импульсных блоках питания основные помехи создаются при переключении транзисторов и восстановлении диодов. Подавление этих помех очень обширная и достаточно скучная тема. Гораздо полезнее будет рассмотреть топологии (типы) импульсных блоков питания по формированию помех.

Обратно-ходовые (flyback) импульсные блоки питания с точки зрения помех самый неудачный выбор. Эти импульсные блоки питания среди прочих наиболее подвержены возникновению мощных импульсных помех. К проектированию и выбору таких блоков питания нужно подходить более тщательно, особенно если его мощность составляет десятки ватт .

Полумостовые (half-bridge) и мостовые (full-brige) импульсные блоки питания с точки зрения помех наиболее удачный выбор. Блоки питания данной топологии обычно имеют меньший уровень помех. Частным случаем полумостовых и мостовых импульсных блоков питания являются резонансные схемы в которых коммутация транзисторов осуществляется при нулевом напряжении или токе, из-за чего возникающие помехи минимальны.

Прочие топологии импульсных блоков питания занимают промежуточное место между обратно-ходовыми и полумостовыми (мостовыми) схемами.
Не стоит воспринимать эту классификацию буквально, величина помех сильно зависит от реализации и при неудачном исполнении резонансная схема может «фонить» сильнее качественно спроектированного и изготовленного flayback.

Итог. При выборе блока питания следует учитывать, что помех от импульсных блоков питания больше чем от трансформаторных, но помехи импульсных блоков более высокой частоты (обычно это десятки мегагерц) и малой продолжительности. Если помеху от трансформаторного блока можно услышать в прямом смысле, то помехи от импульсных блоков питания можно увидеть разве, что осциллографом. Это не значит, что помехи импульсных блоков питания можно игнорировать, сильный их уровень способен нарушить работу цифровых схем и создать помехи в радиоэфире. Но нужно учитывать, что во многих случаях незначительный уровень помех качественно спроектированного импульсного блока питания не оказывает существенного влияния на работу устройства ( и соседних устройств).

Стабильность выходного напряжения

Выбор блока питания мы осуществляем для определенного устройства и у него есть диапазон входных напряжений при котором оно будет корректно работать.

Напряжение на выходе трансформаторного блока питания может изменяться в значительном диапазоне. Изменение напряжения вызывают как изменение напряжения питающей сети, так и изменение нагрузки. Особенно сильная зависимость выходного напряжения от нагрузки у маломощных трансформаторов.

Рассмотрим пример трансформаторного блока на трансформаторе ТП-121-4.
Исходные данные:
— номинальное выходное напряжение трансформатора на холостом ходу 16,4В;
— номинальное выходное напряжение трансформатора под нагрузкой 11,2В.
— отклонение напряжения сети +-10% (ГОСТ 29322-2014).

Максимальное напряжение на выходе блока питания будет на холостом ходу при максимальном напряжение сети. Считаем Uвых = 16,4*1,1*1,4 = 25,3В.
Минимальное напряжение на выходе блока питания будет при максимальной нагрузке и минимальном напряжении сети. Считаем Uвых = 11,2*0,9*1,4=14,1В. Фактически под нагрузкой напряжение будет еще ниже из-за падения напряжения на диодах и из-за того, что фактически амплитуда импульсов тока в обмотках будет выше номинальных значений (емкость выпрямителя заряжается короткими импульсами) и следовательно падение напряжения на обмотках будет выше расчетных.

Расчет показывает, что на выходе трансформаторного блока питания напряжение значительно изменяется в зависимости от нагрузки и сетевого напряжения, в рассмотренном примере почти в два раза. Если требуется получить более стабильное (фиксированное) напряжение, то необходимо использовать дополнительные стабилизаторы напряжения. При использовании линейных стабилизаторов из-за большого разброса входного напряжения возникают существенные тепловые потери. При использовании импульсных понижающих step-down преобразователей потери значительно ниже, но габариты и стоимость увеличиваются, кроме того добавляется необходимость дополнительной фильтрации ВЧ пульсаций для чувствительных аналоговых схем.

Напряжение на выходе импульсного блока питания стабилизировано (если это стабилизированный блок питания, а не «электронный трансформатор» на IR2153), при изменении нагрузки или напряжения сети выходное напряжение изменяется незначительно. Если у блока несколько выходов, то контур стабилизации замыкается по наиболее мощному и тогда остальные (дополнительные) каналы являются условно стабилизированными. Напряжение на дополнительных выходах изменяется в зависимости от нагрузки, но изменения эти не так значительны как у трансформаторного блока, обычно колебания напряжения не превышают +-0,5В и если эти колебания критичны, то может быть установлен дополнительный стабилизатор, причем номинальное напряжение может быть подобрано так, чтобы тепловые потери были незначительными.

Итог. Напряжение на выходе трансформаторного блока питания значительно изменяется в зависимости от напряжения сети и нагрузки, особенно у маломощных блоков. У импульсных блоков питания напряжение на выходе для основного канала (по которому замкнут контур стабилизации) стабилизировано, а изменение напряжения в дополнительных каналах незначительно. Это позволяет сократить общее число стабилизаторов в схеме, а в некоторых случаях и вовсе отказаться от них.

Заключение

При выборе блока питания рекомендуется руководствоваться следующими правилами.

Трансформаторные блоки питания выгодно использовать для питания маломощных устройств требующих хорошей гальванической развязки с сетью, минимальных пульсаций и помех. При использовании трансформаторных блоков питания следует учитывать значительное изменение выходного напряжения при изменении напряжения сети и нагрузки. Ш образный трансформатор обеспечивает большую гальваническую развязку с сетью в сравнении с тороидальным, но имеет большее поле рассеяния и в чувствительных схемах может потребовать экранирования.

Импульсные блоки питания следует выбирать тщательно, отдавая предпочтение качественным и проверенным моделям. В большинстве случаев помехи от качественно спроектированных и изготовленных импульсных блоков питания не оказывают существенного влияния на устройства. При питании аналоговых схем высокочастотные пульсации импульсных блоков питания могут проникать на их выход, в этих случая применяют дополнительные RC или LC фильтры. При выборе мощного импульсного блока питания (более 100Вт) предпочтение стоит отдавать полумостовым и мостовым топологиям.

В целом из статьи следует вывод, что импульсные блоки питания в большинстве случаев лучше трансформаторных. При современном уровне техники так оно и есть, если импульсный блок питания качественный. Но для разовых или малосерийных устройств, с точки зрения затрат на разработку, трансформаторный блок питания при всех его недостатках может оказаться выгоднее, особенно в связке с понижающим step-down стабилизатором.

Также рекомендуем нашу статью о выборе лабораторного блока питания.

Как полвека назад Стив Джобс произвел революцию в компьютерных блоках питания

Рентгеновский снимок блока питания компьютера Apple II.

Блоки питания не пользуются большим уважением у обычных пользователей. Многие знают, какой процессор находится в их компьютере и сколько в нем физической памяти, но, скорее всего, они ничего не скажут вам о блоке питания в нем. В этом нет ничего удивительного — даже производители зачастую думают об источнике питания в последнюю очередь.

И это позор, потому что потребовалось немало усилий для создания блоков питания, которые вы сейчас можете найти в персональных компьютерах, и они представляют собой значительное улучшение по сравнению со схемами, которые питали бытовую электронику вплоть до конца 1970-х годов. Этот прорыв стал результатом серьезных успехов, достигнутых в области полупроводниковых технологий полвека назад. И все же эта революция практически незнакома широкой публике.

И вы, наверное, удивитесь, но одним из ярых «революционеров» был Стив Джобс. По словам его биографа, Уолтера Айзексона, Джобс имел серьезные требования к блоку питания компьютера Apple II, которые смог воплотить в жизнь конструктор Род Холт:

Вместо обычного линейного источника питания Холт построил такой, который используется в осциллографах. Он включал и выключал питание не шестьдесят раз в секунду, а тысячи раз; это позволило ему хранить энергию гораздо меньшее время и, следовательно, выделять меньше тепла. «Этот импульсный источник питания был таким же революционным, как и логическая плата Apple II», — сказал позже Джобс. «Род не попал за это в учебники истории, хотя должен был. Каждый компьютер теперь использует импульсный источник питания, и все они сдирают дизайн Рода Холта».

Однако версия событий, описанная основателем Apple, была, в общем и целом, в корне неверной. Революция произошла между концом 1960-х и серединой 1970-х годов, когда импульсные блоки питания пришли на смену простым, но неэффективным линейным источникам питания. Apple II, представленный в 1977 году, выиграл от этой революции, но отнюдь не спровоцировал ее.

Это исправление к версии событий Джобса — далеко не мелочь. Сегодня импульсные источники питания используются повсеместно, с их помощью мы заряжаем наши смартфоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты и даже некоторые автомобили. Они питают часы, радио, домашние аудиоусилители и другие мелкие приборы. Инженеры, которые действительно вызвали эту революцию, заслуживают уважения. И это довольно интересная история.

Блок питания настольного компьютера, такого как Apple II, преобразует переменное напряжение из сети в постоянное, обеспечивая высокостабильное питание всей системы. Блоки питания могут работать по различным схемам, но наиболее распространенными являются линейные и импульсные конструкции.

Типичный линейный источник питания использует громоздкий трансформатор для понижения относительного высокого переменного напряжения из сети, которое затем преобразуется в низковольтное постоянное напряжение с использованием четырех диодов, подключенных по классической мостовой конфигурации. Большие электролитические конденсаторы используются для сглаживания выходного сигнала диодного моста. В компьютерных источниках питания используется схема, называемая линейным регулятором, которая снижает постоянное напряжение до требуемого уровня и удерживает его, даже если нагрузка меняется.

Линейные источники питания максимально просты для проектирования и сборки. И они используют недорогие низковольтные полупроводниковые элементы. Но у них есть два основных недостатка. Первый — это большие конденсаторы и здоровенный трансформатор, которые нереально упаковать во что-то столь же маленькое, легкое и удобное, как зарядное устройство, которое мы используем со своим смартфоном и планшетом.

Второй — это линейный регулятор, основанный на транзисторах, который превращает все, что выше назначенного выходного напряжения, в тепло. Таким образом, такие источники питания обычно выделяют более половины потребляемой ими энергии в виде тепла. И они часто требуют больших металлических радиаторов или вентиляторов, чтобы избавиться от него.

В прошлом в небольших электронных устройствах обычно использовались громоздкие настенные трансформаторы, которые пренебрежительно называли «настенными бородавками». В начале XXI века технологические усовершенствования сделали возможными компактные импульсные источники питания для небольших устройств. А после того, как упала цена на AC/DC-преобразователи, они быстро заменили собой громоздкие настенные трансформаторы в большинстве бытовых устройств.

Apple превратила блок питания в высококлассный девайс, представив элегантное зарядное устройство для iPod в 2001 году с компактным IC-контроллером внутри [слева]. Зарядные USB-устройства вскоре стали повсеместными, а ультракомпактный зарядник для iPhone, выпущенный в 2008 году, стал одним из самых популярных во всем мире [справа].

Последняя тенденция в высокопроизводительных зарядных устройствах этого типа заключается в использовании полупроводников на основе нитрида галлия (GaN), которые способны переключаться быстрее, чем кремниевые транзисторы, и, таким образом, более эффективны. Также популяризация технологии производства импульсных БП серьезно снизила цены, и теперь самые дешевые USB-зарядники продаются менее чем за доллар, хотя и за счет плохого качества питания и отсутствующих функций безопасности.

Импульсный источник питания работает по другому принципу: в нем переменное напряжение выпрямляется при помощи диодного моста и сглаживается с помощью емкого конденсатора.

Далее напряжение снова преобразуется в переменное высокочастотное (сотни килогерц) с помощью инвертора и подается на первичную обмотку трансформатора, после чего, уже пониженное, снимается со вторичной, снова выпрямляется и подается на выходы блока питания. Высокие частоты позволяют использовать намного меньшие и более легкие трансформаторы и конденсаторы. Поскольку такие БП не нуждаются в линейных регуляторах, они расходуют мало энергии: обычно их КПД составляет 80-90%, из-за чего они выделяют очень мало тепла.

Однако импульсный источник питания устроен значительно сложнее, чем линейный, и, следовательно, его сложнее проектировать. Кроме того, он намного более требователен к компонентам и нуждается в высоковольтных силовых транзисторах, которые могут эффективно включаться и выключаться на высокой скорости.

К слову, некоторые компьютеры использовали источники питания, которые не являются ни линейными, ни импульсными. Грубым, но эффективным методом было использование обычного электродвигателя, который соединялся с валом электрогенератора — последний и создавал желаемое выходное напряжение. Мотор-генераторы использовались в течение десятилетий, по крайней мере, начиная с эпохи перфокарт в вычислительных машинах IBM 30-х годов и вплоть до 1970-х годов в суперкомпьютерах Cray.

Принципы, лежащие в основе импульсного источника питания, были известны инженерам-электрикам еще с 1930-х годов, но эта техника нашла лишь ограниченное применение в эпоху вакуумных ламп. В некоторых источниках питания того времени использовались специальные ртутьсодержащие трубки, называемые тиратронами, которые можно было считать примитивными низкочастотными импульсными регуляторами.

В качестве примеров можно привести блок питания телетайпа REC-30 1940-х годов и блок питания, использовавшийся в компьютере IBM 704 с 1954 года. Однако с появлением силовых транзисторов в 1950-х годах импульсные источники питания быстро улучшились. Pioneer Magnetics начала использовать их в 1958 году, а General Electric опубликовал ранний проект транзисторного импульсного источника питания в 1959 году.

Источник питания компьютера IBM 704.

На протяжении 1960-х годов НАСА и аэрокосмическая отрасль обеспечивали основную движущую силу по разработке импульсных источников питания, поскольку для аэрокосмических применений преимущества небольшого размера и высокой эффективности превосходили немалую их стоимость. Например, в 1962 году Telstar (первый в мире спутник для передачи телевизионных изображений) и ракета Minuteman оба использовали импульсные источники питания. Шли годы, стоимость снижалась, а доступность для простых людей, наоборот, росла. Например, в 1966 году компания Tektronix использовала импульсный блок питания в портативном осциллографе, который позволял ему работать как от сети, так и от батарей.

Эта тенденция ускорилась, поскольку производители блоков питания начали продавать свои импульсные решения другим компаниям. В 1967 году RO Associates представила первый 20-килогерцовый импульсный источник питания, который, по их утверждениям, стал первым коммерчески успешным блоком питания такого типа. Компания Nippon Electronic Memory Industry Co.

начала разработку стандартизированных импульсных источников питания в Японии в 1970 году. К 1972 году большинство производителей блоков питания уже имели в ассортименте такие устройства.

Примерно в это же время компьютерная индустрия начала использовать импульсные источники питания. Первыми стали миникомпьютеры Digital Equipment PDP-11/20 в 1969 году и Hewlett-Packard 2100A в 1971. К середине 70-ых они использовались в компьютерах таких компаний, как HP, IBM, Univac, DEC, RCA и многих других, и даже добрались до цветных телевизоров.

Импульсные источники питания широко освещались в компьютерных журналах той эпохи, как в рекламе, так и в статьях. Еще в 1964 году компания Electronic Design рекомендовала использовать импульсные блоки питания для повышения энергоэффективности. В октябре 1971 года на обложке журнала «Мир электроники» были показаны 500-ваттные импульсные источники питания, а к середине 70-ых публикаций на эту тему был уже не один десяток.

Одним из ключевых разработчиков был Роберт Бошерт, который в 1970 году уволился с работы и начал проектировать импульсные источники питания буквально на своем кухонном столе. Он сосредоточился на упрощении их конструкции, чтобы сделать их конкурентоспособными по стоимости с линейными блоками питания, и к 1974 году он массово производил недорогие блоки питания для принтеров, за которыми последовал дешевый импульсный блок питания мощностью 80 Вт в 1976 году. К 1977 году в Boschert Inc. работало уже 650 человек. Он делал источники питания для спутников и истребителей Grumman F-14, а затем стал производить компьютерные блоки питания для таких компаний, как HP и Sun.

Массовое производство дешевых высоковольтных высокоскоростных транзисторов в конце 1960-х и начале 1970-х годов такими компаниями, как Solid State Products Inc., Siemens Edison Swan и Motorola, также помогло популяризировать импульсные блоки питания. Чем выше скорость переключения транзистора, тем выше его эффективность, потому что тепло в нем рассеивается в основном во время его переключения между состояниями включения и выключения, и чем быстрее он может выполнить этот переход, тем меньше энергии он преобразует в тепло.

Скорости переключения транзисторов тогда росли как на дрожжах. Транзисторные технологии развивалась настолько быстро, что в 1971 году редакторы журнала «Мир электроники» заявили, что блок питания мощностью 500 Вт, показанный на его обложке, просто не мог быть построен с использованием транзисторов, доступных всего лишь 18 месяцами ранее.

Еще один заметный прогресс произошел в 1976 году, когда Роберт Маммано, один из основателей Silicon General Semiconductors, представил первую интегральную схему для управления импульсным источником питания, разработанную для электронного телетайпа. Его контроллер SG1524 значительно упростил конструкцию и снизил расходы, что привело к росту продаж.

В итоге к плюс-минус 1974 году всем, кто хоть немного разбирался в электронной промышленности, было ясно, что происходит настоящая революция в разработке источников питания.

Блок питания компьютера Apple II.

Персональный компьютер Apple II был представлен в 1977 году. Одной из его особенностей стал компактный безвентиляторный импульсный источник питания, выдающий суммарно 38 Вт по линиям 5, 12, –5 и –12 вольт. Он использовал простую конструкцию Холта, известную как топологию автономного преобразователя с обратной связью. Джобс утверждал, что теперь каждый компьютер использует революционную технологию Холта. Но был ли этот дизайн действительно революционным в 1977 году? И был ли он скопирован другими производителями компьютеров?

Нет и нет. Подобные автономные преобразователи с обратной связью продавались в то время Boschert и другими компаниями. Холт получил патент на несколько специфических особенностей своего блока питания, но они так и не получили широкого распространения. А построение схемы управления из дискретных компонентов, как это было сделано в Apple II, вообще оказалось технологическим тупиком. Будущее импульсных источников питания принадлежало специализированным IC-контроллерам.

Если и есть компьютер, который оказал серьезное влияние на конструкцию блоков питания, то это был IBM PC, выпущенный в 1981 году. К тому времени, всего через четыре года после выхода Apple II, технологии создания блоков питания серьезно изменились. Хотя оба этих ранних персональных компьютера использовали блоки питания с автономным преобразователем с обратной связью, это почти все, что у них было общего.

К примеру, в блоке питания IBM PC использовался IC-контроллер, который содержал примерно в два раза больше компонентов, чем аналогичный в блоке питания Apple II. Эти дополнительные компоненты обеспечивали дополнительное регулирование на выходе и сигнал «исправная мощность», когда все четыре напряжения были правильными.

В 1984 году IBM выпустила значительно обновленную версию своего персонального компьютера под названием IBM Personal Computer AT. В его источнике питания использовалось множество новых схем и произошел полный отказ от более ранней топологии обратной связи. Он быстро стал стандартом де-факто и оставался таковым до 1995 года, когда Intel представила спецификации форм-фактора ATX, определившие, помимо прочего, основные характеристики источника питания ATX, который до сих пор остается стандартом.

Несмотря на появление стандарта ATX, компьютерные системы электропитания стали более сложными в том же 1995 году с появлением процессора Pentium Pro, который требовал более низкого напряжения при более высоком токе, чем мог дать источник питания ATX напрямую. Чтобы обеспечить требуемое питание, Intel представила модуль регулятора напряжения (VRM) — импульсный стабилизатор постоянного тока, устанавливаемый рядом с процессором. Он уменьшал 5 В от источника питания до 3 В, используемых CPU. Видеокарты также содержат VRM для питания высокопроизводительных графических чипов, которым требуется порядка 1 В вместо входящих 12.

Типичный ATX-блок питания внутри.

В наши дни быстрые домашние процессоры могут требовать до 150 Вт от VRM — значительно больше, чем лишь половина ватта мощности, используемая процессором MOS Technology 6502 в Apple II. Действительно, один только современный процессор может потреблять в три раза больше энергии, чем весь компьютер Apple II.

Растущее энергопотребление компьютеров стало причиной озабоченности по поводу окружающей среды, что привело к инициативам и нормативным актам, направленным на повышение эффективности источников питания. В Соединенных Штатах правительственная компания Energy Star и отраслевые сертификаты 80 Plus подтолкнули производителей к производству более «зеленых» источников питания.

Они смогли сделать это, используя различные методы: более эффективные компоненты и схемы запуска, резонансные схемы, которые уменьшают потерю мощности при переключении транзисторов, а также схемы APFC (компенсации реактивной мощности), улучшающие КПД и позволяющие блоку питания работать более стабильно. Появление MOSFET и высоковольтных выпрямителей в последнее десятилетие также привело к повышению эффективности, которая у лучших источников питания на данный момент составляет 95%.

Технологии проектирования импульсных источников питания продолжают развиваться и в других направлениях. Сегодня вместо аналоговых схем используются цифровые микросхемы и программные алгоритмы для управления выходным напряжением. Проектирование контроллеров источника питания стало такой же задачей программирования, как и разработка аппаратного обеспечения. Цифровое управление питанием позволяет БП обмениваться данными с остальной системой для повышения эффективности и учета потраченной энергии. И хотя эти цифровые технологии в основном заточены под сервера, они уже начинают использоваться в источниках питания для настольных компьютеров.

Трудно сопоставить эту историю с утверждением Джобса о том, что Холт должен был «попасть в учебники истории». Даже самые лучшие разработчики источников питания редко становятся известным за пределами этого крошечного сообщества. Так, в 2009 году редакторы Electronic Design ввели Бошерта в свой Зал инженерной славы. Роберт Маммано получил награду за свои достижения в 2005 году от редакторов Power Electronics Technology. При этом ни один из этих светил в разработке блоков питания не известен даже Википедии.

Часто повторяемое утверждение Джобса о том, что Холта упустили из виду, привело к тому, что работа последнего была описана в десятках популярных статей и книг об Apple, даже в самой продаваемой биографии основателя Apple, написанной Айзексоном в 2011 году. Так что Род Холт, вероятно, стал самым известным разработчиком блоков питания, хотя не сделал ничего революционного.

Как устроен импульсный блок питания

Практически в каждом электронном приборе есть блок питания – важный элемент монтажной схемы. Блоки применяются в устройствах, требующих пониженного питания. Базовой задачей блока питания считается уменьшение сетевого напряжения. Первые импульсные блоки питания сконструированы после изобретения катушки, которая работала с переменным током.

Применение трансформаторов дало толчок развития блоков питания. После выпрямителя тока осуществляется выравнивание напряжения. В блоках с преобразователем частоты этот процесс проходит по-другому.

В импульсном блоке основу составляет инверторная система. После выпрямления напряжения образуются прямоугольные импульсы с высокой частотой, подаются на фильтр выхода низкой частоты. Импульсные блоки питания преобразовывают напряжение, отдают мощность на нагрузку.

Рассеивание энергии от импульсного блока не происходит. От линейного источника идет рассеивание на полупроводниках (транзисторах). Его компактность и малый вес также дает превосходство над трансформаторными блоками при одинаковой мощности, поэтому часто линейные блоки заменяют импульсными.

Принцип действия

Работа ИБП простой конструкции следующая. Если входной ток является переменным, как в большинстве бытовых приборах, то сначала происходит преобразование напряжения в постоянное. Некоторые конструкции блоков имеют переключатели, удваивающие напряжение. Это делается для того, чтобы подключаться к сети с разным номиналом напряжения, например, 115 и 230 вольт.

Выпрямитель выравнивает переменное напряжение и на выходе отдает постоянный ток, который поступает в фильтр конденсаторов. Ток от выпрямителя выходит в виде малых импульсов высокой частоты. Сигналы обладают высокой энергией, за счет которой снижается коэффициент мощности трансформатора импульсов. Благодаря этому габариты импульсного блока небольшие.

Чтобы скорректировать уменьшение мощности в новых блоках питания применяют схему, в которой ток на входе получается в виде синуса. По такой схеме смонтированы блоки в компьютерах, видеокамерах и других устройствах. Импульсный блок работает от постоянного напряжения, проходящего через блок, не изменяясь. Такой блок называют обратноходовым. Если он служит для 115 В, для работы на постоянном напряжении необходимо уже 163 вольта, это рассчитывается как (115 × √2).

Для выпрямителя такая схема вредна, так как половина диодов не используется в работе, это вызывает перегрев рабочей части выпрямителя. Долговечность в этом случае снижается.

После выпрямления напряжения сети в действие вступает инвертор, который преобразовывает ток. Пройдя через коммутатор, имеющий большую энергию выхода, из постоянного получается переменный ток. С обмоткой трансформатора в несколько десятков витков и частотой сотни герц блок питания работает в качестве усилителя низкой частоты, она получается больше 20 кГц, она не доступна слуху человека. Коммутатор изготовлен на транзисторах с многоступенчатым сигналом. Такие транзисторы имеют низкое сопротивление, высокую возможность прохода токов.

Схема работы ИБП

В сетевых блоках вход и выход изолируют между собой, в импульсных блоках ток применяется для первичной обмотки высокой частоты. На вторичной обмотке трансформатор создает нужное напряжение.

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:

Быстрое восстановление, что дает возможность иметь малые потери.
Малое падение напряжения. Для снижения напряжения выхода применяют транзистор, в нем выпрямляется основная часть напряжения.

Далее напряжение сглаживается фильтром, в него входят конденсатор, дроссель. Для частот коммутации выше требуются составляющие с малой индуктивностью и емкостью.

Схема импульсного блока минимального размера

В простой схеме ИБП вместо трансформатора применен дроссель. Это преобразователи для понижения или повышения напряжения, относятся к самому простому классу, применяется один переключатель и дроссель.

Некоторые виды ИБП

Простой ИБП на IR2153, распространен в России.
Импульсные блоки питания на TL494.
Импульсные блоки питания на UC3842.
Гибридного типа, из энергосберегающей лампы.
Для усилителя с повышенными данными.
Из электронного балласта.
Регулируемый ИБП, механическое устройство.
Для УМЗЧ, узкоспециализированный блок питания.
Мощный ИБП, имеет высокие характеристики.
На 200 В – на напряжение не более 220 вольт.
Сетевой ИБП на 150 ватт, только для сети.
Для 12 В – нормально работает при 12 вольтах.
Для 24 В – работает только на 24 вольта.
Мостовой – применена мостовая схема.
Для усилителя на лампах – характеристики для ламп.
Для светодиодов – высокая чувствительность.
Двухполярный ИБП, отличается качеством.
Обратноходовый, имеет повышенные напряжение и мощность.

Особенности

Простой ИБП может состоять из трансформаторов малых размеров, так как при повышении частоты эффективность трансформатора выше, требования к размерам сердечника меньше. Такой сердечник изготовлен из ферромагнитных сплавов, а для низкой частоты используется сталь.

Напряжение в блоке питания стабилизируется путем обратной связи отрицательной величины. Осуществляется поддержка напряжения выхода на одном уровне, не зависит от нагрузки и входных колебаний. Обратная связь создается разными методами. Если в блоке есть гальваническая развязка от сети, то применяется связь одной обмотки трансформатора на выходе или с помощью оптрона. Если развязка не нужна, то используют простой резистивный делитель. За счет этого напряжение выхода стабилизируется.

Особенности лабораторных блоков

Принцип действия осуществлен на активном преобразовании напряжения. Для удаления помех ставят фильтры в конце и начале цепи. Насыщение транзисторов положительно отражается на диодах, имеется регулировка напряжения. Встроенная защита блокирует короткие замыкания. Кабели питания применены немодульной серии, мощность достигает 500 ватт.

В корпусе установлен вентилятор охлаждения, скорость вентилятора регулируется. Наибольшая нагрузка блока составляет 23 ампера, сопротивление 3 Ом, наибольшая частота 5 герц.

Применение импульсных блоков

Сфера их использования постоянно растет как в быту, так и в промышленном производстве.

Импульсные блоки питания применяются в источниках бесперебойного питания, усилителях, приемниках, телевизорах, зарядных устройствах, для низковольтных линий освещения, компьютерной, медицинской технике и других различных приборах, и устройствах широкого назначения.

Достоинства и недостатки

ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:

Небольшой вес.
Увеличенный КПД.
Небольшая стоимость.
Интервал напряжения питания шире.
Встроенные защитные блокировки.

Уменьшенная масса и размеры связано с применением элементов с радиаторами охлаждения линейного режима, импульсного регулирования вместо тяжелых трансформаторов. Емкость конденсаторов уменьшена за счет увеличения частоты. Схема выпрямления стала проще, самая простая схема – однополупериодная.

У трансформаторов низкой частоты теряется много энергии, рассеивается тепло во время преобразований. В ИБП максимальные потери возникают при переходных процессах коммутации. В другое время транзисторы устойчивы, они закрыты или открыты. Созданы условия для сохранения энергии, КПД достигает 98%.

Стоимость ИБП снижена из-за унификации элементов широкого ассортимента на роботизированных предприятиях. Силовые элементы из управляемых ключей состоят из полупроводников меньшей мощности.

Технологии импульсов дают возможность применять сеть питания с разной частотой, что расширяет применение блоков питания в различных сетях энергии. Модули на полупроводниках с небольшими габаритами с цифровой технологией имеют защиты от короткого замыкания и других аварий.

Недостатки

Импульсные блоки питания функционируют с помощью преобразования импульсов высокой частоты, создают помехи, уходящие в окружающую среду. Возникает необходимость подавления и борьбы с помехами разными методами. Иногда подавление помех не дает эффекта, и применение импульсных блоков становится невозможным для некоторых типов устройств.

Импульсные блоки питания не рекомендуется подключать как с низкой нагрузкой, так и с высокой. Если на выходе резко упадет ток ниже установленного предела, то запуск может оказаться невозможным, а питание будет с искажениями данных, которые не подходят к диапазону работ.

Мы имеем множество различных устройств, подключая которые к сети мы даже не задумываемся о том, какое питание им необходимо. Значительная часть бытовой техники имеет импульсный блок питания. Даже светодиодные или люминесцентные цокольные лампы имеют встроенный источник импульсного питания (ИИП).

Что делает импульсный блок питания (ИБП)

В сети напряжение имеет синусоидальную форму. Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение. Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение. Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.

Примеры импульсных блоков питания:

Зарядное устройство для телефона или смартфона;
Внешний блок питания ноутбука;
Блок питания компьютера;
Блок питания для светодиодной ленты.

Импульсный блок питания Robiton EN5000S. Предназначен для питания от источника переменного тока 100-240В приборов с напряжением 6,0 / 7,5 / 9,0 / 12,0 / 13,5 / 15 / 16В и максимальным входным током 5000 мА

Есть импульсные источники питания выдающие постоянное напряжение одного номинала. Наиболее распространенные на — 5 В, 12 В или 24 В. Есть устройства, выдающие сразу несколько уровней. Такие, например, стоят в компьютерах. На выходе они формируют сразу 5 В и 12 В. Есть — регулируемые ИИП, при помощи переключателей в них можно задавать выходные параметры (в определенных рамках). Импульсный блок питания может быть в виде отдельного устройства или являться частью какого-то более сложного прибора.

Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи источника импульсного питания

Если говорить об отдельных ИБП, то самыми распространенными, пожалуй, являются зарядные устройства для телефонов, ноутбуков. Они имеют компактные размеры, так как требуется небольшая мощность. Встроенный импульсный блок питания есть в телевизорах, компьютерах и другой сложной электронике, в некоторых бытовых приборах. Блоки питания бывают линейные (трансформаторные) или импульсные (инверторные).

Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Оба типа блоков питания преобразуют синусоиду в постоянный ток, но вот путь преобразования разный, да и результаты несколько отличаются. Импульсный блок питания отличается высокой стабильностью работы. Тем не менее трансформаторные источники еще в ходу. Почему? Стоит разобраться.

Чем отличается от трансформаторного блока питания

И трансформаторный (линейный) и импульсный (инверторный) БП выдают на выходе постоянное напряжение. Причем вторые имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто ниже по цене, да еще и напряжение дают более «качественное» и независящее от параметров исходной синусоиды (а она далеко не идеальная в наших сетях). Так почему же используют и трансформаторные блоки, и импульсные? Чтобы понять, надо знать в чем отличие трансформаторного блока питания от импульсного. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. На основании этого можно уяснить основные свойства.

Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания

Как работает трансформаторный блок питания

В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе. Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение.

Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты. Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Сетевой фильтр в дешевых моделях стоит не всегда, и в этом зачастую кроется проблема с нестабильной работой каких-то устройств, которые мы часто списываем на «падение напряжения в сети».

Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность. Их параметры (частота и скважность) задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей.

Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках

Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети. Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин (в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали).

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения. Для наших сетей это актуально. Но не только это. Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно.

Размер тоже имеет значение

Кроме того импульсники имеют высокий КПД — до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны. При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей.

Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи. Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Схемы импульсных блоков питания

Чтобы понимать, как работает импульсный блок питания, надо разобраться в том, что происходит в каждой его части. Сделать это проще по схемам. Мы приведем только некоторые, так как вариантов и вариаций — море. Схема импульсного блока питания содержит пять обязательных блоков плюс обратная связь. Вот о каждом элементе и поговорим отдельно, Попутно приведем полные схемы ИБП с использованием различной элементной базы.

Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности

Входной фильтр

Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель, который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.

Схема простейшего входного фильтра

Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения (до 2,5 кВ), гася тем самым помехи между фазой и нейтралью (противофазные помехи). Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех.

Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа (которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ). Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.

Оба типа конденсаторов (X и Y), который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости (по сравнению с обычными).

Схема для компенсации всех типов помех

Но для корректной работы этой схемы необходимо рабочее заземление. Его надо подключить к корпусу блока питания. Без заземления, корпус блока питания будет находиться под напряжением около 110 В. Ток будет очень маленьким, но прикосновения будут ощутимы.

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

Как уже сказано выше, выпрямитель проводит предварительное выпрямление синусоиды. Если установлен один диод, он отсекает нижние (отрицательные) полуволны.

Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода низкий КПД и большая пульсация выпрямленного напряжения. По этим причинам предпочтительней мостовая схема на четырех диодах

В самом простом случае выпрямитель — диод Шоттки, но может использоваться и диодный мост с параллельно подключенным конденсатором. Для диодных мостов часто применяют обычные диоды типа 1N4007, но лучше все-таки устанавливать все те же диоды Шоттки. Они «быстрее», так что можно получить лучше результаты на выходе.

Несколько схем фильтров разной степени сложности

Один диод ставят в блоках питания к недорогой технике. На его выходе напряжение имеет вид идущих с некоторыми промежутками положительных полуволн. На выходе диодного моста пульсации намного ниже, так что такой выпрямитель ставят для более требовательных к питанию приборов. Пульсирующее напряжение с выхода диода/диодного моста подается на конденсатор (он должен быть рассчитан на напряжение 270-400 В), который из полуволн делает «зубчики». Тут уже получаем более-менее стабильное постоянное напряжение.

Инвертор или блок ключей

На следующем блоке выпрямленное напряжение преобразуется в импульсы. Частота импульсов высокая — от 10 до 50 кГц. Есть два способа реализации этих блоков: при помощи микросхем, на основе автогенератора (блокинг-генератора).

Еще одна блок-схема ИИП

Во втором случае используется пара транзисторов, которые включаются попеременно, формируя на выходе последовательность импульсов. Частота переключений задается генератором. Такие схемы встречаются и сейчас, но большинство реализуется на микросхемах.

Пример схемы инвертора на транзисторах

Если есть микросхема, зачем городить огород из нескольких десятков деталей. Тем более, что требуемый тип микросхем широко распространен и стоит немного. Это так называемые ШИМ-контроллеры ( TL494, UC384х, Dh421, TL431, IR2151, IR2153 и др). К этим микросхемам надо добавить всего-лишь пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получим требуемый инвертор.

Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей

ШИМ-контроллер отлично встраивается в любой тип схем. Он совместим с обратноходовыми, полумостовыми и мостовыми схемами выпрямителей. Естественно, отличается количество элементов, но все они простые и доступные.В обратноходовых схемах транзисторы должны быть рассчитаны на более высокое напряжение, чем подается на вход.

Устройство импульсного источника напряжения с ШИМ контроллером и двухтактным и мостовым выпрямителем

По полумостовым схемам построены импульсные блоки питания в осветительных приборах, в энергосберегающих и светодиодных лампах, электронный балласт для люминисцентных ламп (ЭПРА). Мостовые схемы применяют в более мощных блоках. Например, в сварочных инверторах.

Есть и более «серьезные» контроллеры, которые параллельно с работой, проверяют параметры входного и выходного напряжения и, при неисправностях, просто блокируют свою работу. Так как в импульсном блоке питания этот компонент, обычно, самый дорогой, это очень неплохо. Заменив неисправные детали (обычно резисторы или конденсаторы), получаем рабочий агрегат.

Силовой трансформатор

Узел трансформатора на блоке питания является одним из самых стабильных. В этом блоке, кроме самого трансформатора, содержится небольшая группа элементов которая нейтрализует выброс тока, который возникает на обмотках трансформатора при смене полярностей. Эта группа называется «снаббер».

Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер — зеленым

Трансформатор — один из самых надежных элементов. В нем очень редко возникают проблемы. Он может повредиться при пробое инвертора. В этом случае через обмотку течет слишком высокий ток, который и выводит из строя трансформатор.

Схема блока силового трансформатора для ИИП

Работает все это следующим образом:

На первом такте работы импульсного источника питания открыт ключ ВТ1 (полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа). Ток течет через первичную обмотку трансформатора, заряд накапливается в сердечнике.
На втором такте ключ закрывается, ток течет во вторичной обмотке через диод VD2.
При переключении на первичной обмотке возникает выброс, который вызван неидеальностью деталей. Тут в работу вступает снаббер. Его задача поглотить этот выброс, так как напряжение может быть достаточно большим и может повредить ключевой транзистор, что приведет к неработоспособности схемы. Ток выброса течет через первичную обмотку трансформатора, диод VD1, через сопротивление R1 и емкость C2.
Далее полярность снова меняется, вступает в работу ключ ВТ1.

Номиналы выбираются исходя из параметров трансформатора. Подбор сложный, так что описывать его не имеет смысла. И еще: не во всех схемах есть снаббер, но его наличие увеличивает надежность и стабильность работы импульсного источника питания.

Несколько слов о диодах, которые используют в снабберах. Это может быть обычный диод, подобранный по параметрам, но более надежны схемы со стабилитроном. Еще может быть вариант без резистора и емкости, но с включенным навстречу супрессором (на схеме ниже).

Еще один вариант блока силового трансформатора с использованием супрессора (защитного диода) D1

Супрессор — это защитный диод, принцип работы похож на стабилитрон, вот только выравнивается импульсный ток и рассеиваемая мощность. Может быть несимметричный и симметричным.

Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

На этом, можно считать со схемой импульсного блока питания разобрались, так как выходные выпрямитель и фильтр устроены по тому же принципу. Элементы могут быть другие, а схемы те же. Единственное, что еще стоит рассмотреть — стабилизация выходных параметров. Это опционная часть, но такой импульсный блок питания более надежен.

Наиболее простой и дешевый способ стабилизации используется в дешевых блоках питания — обратная связь на пассивных элементах. На схеме ниже, это два резистора R6 и R7, подключенные к вспомогательной обмотке силового трансформатора. Не слишком надежно, потому что есть влияние между обмотками, но просто и недорого.

Простой способ стабилизации

Второй вариант стабилизатора выходного напряжения сделан на стабилизаторе VD9 и оптроне HL1. Выходное напряжение складывается из падения на стабилитроне и напряжения на оптроне. Это чуть более надежная схема для ИИП средней мощности.

Стабилизация выхода ИИП при помощи стабилитрона и оптрона

Наиболее стабильные выходные показатели имеют схемы ИИП со стабилизатором TL431.

TL431 — интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА.

ИБП с использованием микросхемы TL431 более сложные, но надежные. В таких схемах может быть подстроечный переменный резистор, который позволяет изменять выходное напряжение в небольших пределах. Обычно подстройка составляет не более 20%, так как в противном случае схема может быть нестабильной.

Схема со стабильным напряжением на выходе

Если подстройка выходного напряжения не нужна, лучше подстроечный резистор заменить обычным, так как переменные менее надежны.

Пару слов о резисторе R20 (см. схему выше), который стоит на выходе. Это так называемый, нагрузочный резистор. Как известно ИИП не будет работать без нагрузки. Поэтому на выходе и ставят сопротивление, которое обеспечивает минимальную рабочую нагрузку. Но это решение неидеально, так как резистор греется и порой очень сильно. Располагать рядом конденсаторы крайне нежелательно, иначе подогреваются и они. А в качестве выходного сопротивления должны стоять высокоточные резисторы, так как они при нагреве мало меняют свои параметры (блок выдает стабильное напряжение даже при длительной работе).

Принцип работы импульсного блока питания

Один из самых важных блоков персонального компьютера – это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).

Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).

Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).

Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление – преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Как говорится: «No comment «.

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 («230/115»). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110. 127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220. 230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180. 220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов «моста» (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни ! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

Импульсные источники питания

— обзор

1.1 Тенденция развития систем силовой электроники — влияние на силовые устройства следующего поколения

В последние несколько десятилетий силовые устройства были основной технологией, позволяющей разрабатывать силовые преобразователи. С середины прошлого века до 1980-х годов (как показано на рис. 1.1) выпрямители, тиристоры, GTO и биполярные транзисторы внесли значительный вклад в создание силовых электронных преобразователей для управления потоком электрической энергии от источника к нагрузке. .В последующие два десятилетия, с 1980 по 2000 год, на рынке появились силовые устройства с МОП-управлением с превосходными электрическими характеристиками, которые заменили предыдущее поколение биполярных компонентов во многих приложениях. Их превосходное поведение в открытом состоянии, выдающиеся динамические характеристики, управляемость и характеристики короткого замыкания преобладали в качестве преимуществ при разработке систем силовой электроники. Это новое поколение силовых устройств основано на кремниевом материале, как и биполярные устройства в предыдущие десятилетия.Однако из-за тонко структурированной технологии этих устройств, их размера и высокой плотности ячеек возникла необходимость в производственных линиях, совместимых с ИС. Это был первый технологический прорыв в технологиях производства силовых устройств, и несколько малых и средних производителей полупроводников не смогли покрыть расходы на новые ИС-совместимые объекты. Эти новые типы устройств, такие как Power MOSFET (представленный на рынке в 1979 году) и IGBT (представленный в 1985 году), открыли новую область для разработок силовых преобразователей.В этой первой технологической вехе [1] (как показано на рис. 1.2), инициированной устройствами с МОП-управлением, такими как силовой MOSFET и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), появилось несколько новых топологий схем, основанных на многоуровневых технологиях или технологиях чередования, а также новые стратегии управления были разработаны с целью создания высокодинамичных и высокоэффективных преобразователей энергии.

Рис. 1.1. Тенденции в области силовых полупроводниковых технологий: производительность → вывод на рынок → серийное производство; жизненный цикл технологии силовых устройств; возможна замена устройств на базе Si на устройства на базе WB.

Источник: ABB, ECPE (Л. Лоренц).

Рис. 1.2. Упрощенные технологические вехи для преобразователей энергии.

Источник: ETH Zürich (проф. Колар), семинар ECPE.

Однополярный тип силового полевого МОП-транзистора с очень коротким временем переключения поднял частоту переключения до 100 кГц и произвел революцию в области импульсных источников питания (SMPS) в потребительских и вычислительных приложениях, а также в информационных и коммуникационных технологиях. Однако сопротивление этих силовых транзисторов в открытом состоянии очень сильно зависит от легирования и толщины дрейфовой области для переноса электронного тока между клеммами нагрузки и ограничивает допустимое эффективное напряжение до номинального напряжения ниже 600 В.В отличие от этого поведения, биполярный транзистор с МОП-управлением (IGBT) с его сильной модуляцией несущей во включенном состоянии практически неограничен по номинальному напряжению и произвел революцию во всех промышленных приложениях, таких как управление двигателями, системы ИБП, тяговые приводы в железные дороги, морской транспорт, электронные автомобили и т. д., а также технологии возобновляемых источников энергии, включая транспортировку и распределение энергии. Их выдающиеся электрические и тепловые характеристики наряду с легко управляемыми характеристиками делают их удобными для использования системными инженерами, так что всего за два-три десятилетия (как показано на рис.1.1), «старое поколение» биполярных устройств было заменено в большинстве областей применения. На основе этих технологических достижений стали очевидны основные движущие факторы будущего развития силовых электронных систем, которые были изложены в [2,3]:

•: Энергоэффективность → для защиты окружающей среды.
•: Плотность мощности → для уменьшения веса / объема.
•: Надежность → для достижения нулевого дефекта конструкции компонентов и систем.
•: Пассивные устройства → Чтобы использовать преимущества высокой частоты, необходимы новые материалы для магнетиков и электролитов.
•: Трехмерная интеграция → Интеллектуальные технологии упаковки и трехмерная системная интеграция (активные устройства, пассивные устройства и эффективные системы охлаждения) для миниатюризации системы.

Для удовлетворения этих требований (как показано на рис. 1.2) за последнее десятилетие с 2000 по 2010 г. устройства с МОП-управлением были усовершенствованы в направлении более высокой частоты коммутации, большей прочности даже при повышенной рабочей температуре и выдающейся перегрузки и возможности короткого замыкания.Для разработки системы это был период перехода к цифровым технологиям с целью достижения большей гибкости на системном уровне, точного и высокоэффективного управления мощностью нагрузки, а также значительного сокращения системных компонентов. На уровне устройства было реализовано новое поколение «IGBT-транзисторов с полевым затвором» для дальнейшего сокращения потерь в открытом состоянии и динамических потерь, что повысило надежность устройства даже при более высокой плотности мощности и повышенной частоте коммутации. Униполярные устройства с их выдающимися характеристиками переключения были значительно улучшены за счет разработки принципа компенсации несущей [4].В области низкого напряжения U _br ≤ 250 В основной принцип резкого снижения R _{ds (on)} ⁎ A — это компенсация избыточных носителей в области дрейфа. Для силового полевого МОП-транзистора высокого напряжения 300 В ≤ U _br ≤ 900 В площадь указанного резистора в открытом состоянии может быть значительно уменьшена за счет реализации принципа сверхперехода, основанного на компенсации несущей во всем слое дрейфа. Такая структура позволяла увеличить легирование в области дрейфа примерно на порядок без потери блокирующей способности [4].Благодаря внедрению этой совершенно новой технологии устройства частота коммутации может быть увеличена до 1 МГц, что повысит удельную мощность и эффективность. MOSFET с суперпереходом заменил традиционную технологию MOSFET с высокими характеристиками и большим производственным объемом, как показано на рис. 1.1.

В текущем десятилетии (как показано на рис. 1.2) преобладают разработки сверхбыстрых переключающих устройств на основе материала WB (широкозонная запрещенная зона), которые имеют дополнительное преимущество одновременного повышения рабочей температуры.Это поколение силовых устройств очень близко подходит к идеальному переключателю: нулевые потери в открытом состоянии, нулевые потери при переключении, отсутствие управляющей мощности; теперь видна новая перспектива для реализации сверхвысокой плотности мощности на уровне устройства и системы.

Однако ограничения на частоту коммутации, с которыми мы сталкиваемся сегодня, связаны с пассивными устройствами, в основном с магнитными потерями (включая потери в обмотках катушек индуктивности, трансформаторов и фильтров, а также емкости). Высокие значения di / dt , инициируемые переключающими устройствами, создают всплески перенапряжения во всех индуктивностях рассеяния на уровне упаковки устройства и компоновке системы.Обычные индукторы рассеяния в тракте возбуждения оказывают сильное влияние на характеристики переключения транзистора, скачки перенапряжения на оксидных слоях и на клеммах нагрузки, что может привести к возникновению динамических лавин. Кроме того, мы должны научиться решать проблемы электромагнитных помех, возникающие при быстром переключении.

Еще более критичными являются чрезвычайно высокие значения dv / dt , возникающие из-за короткого времени переключения, поскольку мы создаем протекание тока смещения во всех емкостях (внутренних и распределенных в зависимости от схемы устройства), участвующих в переключении. форма волны. dv / dt оказывает влияние на соединительные кабели с нагрузкой, саму нагрузку и соединители между приводом силовых устройств и микроэлектроникой. Чтобы удовлетворить требования к плотности мощности, эффективности, надежности и компактной трехмерной интеграции, в следующий период разработки (как показано на рис. 1.2) особое внимание будет уделяться технологиям упаковки, пассивным устройствам, проблемам электромагнитных помех и способам их устранения. чрезвычайно высокие значения di / dt на уровне устройства и системы [5].

Основная причина, по которой эти сверхбыстрые коммутационные устройства на основе материала с широкой запрещенной зоной, заключаются в значительном увеличении плотности мощности и эффективности на уровне устройства и системы, а также повышении рабочей температуры без снижения прочности и надежности. В настоящее время устройства на основе SiC и GaN являются наиболее многообещающими полупроводниковыми материалами, как подробно объясняется далее в этой главе, для достижения этой цели. Хотя оба этих типа материалов хорошо известны для других электронных устройств (например.g., ВЧ-устройства и светодиоды) в течение долгого времени все еще существуют проблемы с качеством материала пластины, с конструкцией устройства (как управлять этим чрезвычайно высоким электрическим полем без создания новых дефектов устройства) и как справиться с этим с помощью одного матрицы меньшего размера по сравнению с Si-устройствами аналогичного номинала по своим электрическим и тепловым характеристикам. Позже в этой главе будут подробно рассмотрены характеристики материалов и характеристики устройства, включая тенденции развития.

Пока вопрос в том, насколько быстро эти отличные устройства заменят Si-компоненты текущего поколения.Необходимо учитывать несколько аспектов. С одной стороны, материалы на основе SiC и GaN более дороги в производстве по сравнению с материалом подложки Si, что приводит к более высокой стоимости устройства. С другой стороны, преобразователи, разработанные с использованием устройств SiC и GaN, достигают значительно более высокой эффективности (более низкие потери с прямым влиянием на меньшую потребность в охлаждении) и высокой плотности мощности (меньшие фильтры и устройства хранения), что напрямую влияет на общую стоимость материала. Одним из предварительных условий для использования преимуществ этого нового типа устройств является использование их выдающихся характеристик: более высокая скорость переключения и более высокая рабочая частота.Основная проблема сейчас заключается в отсутствии пассивных (магнетиков, электролитов) компонентов, передовых технологий упаковки и схемотехники для работы с этими чрезвычайно крошечными матрицами с их характеристиками быстрого переключения на уровне преобразователя. Новые компаунды для технологий склеивания микросхем, включая материалы, соответствующие CTE (коэффициент теплового расширения), с учетом, в частности, полупроводникового материала WB с его температурными характеристиками выше Tj> 300 ° C и меньшей потребностью в охлаждении и / или более высоким запасом надежности .Принимая во внимание все эти аспекты с сегодняшней точки зрения, потребуется много времени для замены Si-устройств текущего поколения, учитывая их высокий потенциал для дальнейшего существенного развития их характеристик (как показано на рис. 1.1). С другой стороны, в некоторых приложениях (например, мобильных приложениях в транспортных системах, источниках питания для ноутбуков и устройствах связи) существует большое давление с целью уменьшения размера и веса преобразователя мощности и повышения эффективности теперь, когда устройства на основе SiC и / или GaN уже используются в этих типах приложений.Кроме того, появляются новые приложения, в которых требуются эти выдающиеся характеристики.

За последние несколько десятилетий, начиная с появления устройств с МОП-управлением в начале 80-х, рынок силовых устройств значительно вырос. Тем временем силовые устройства достигли примерно 10% объема рынка полупроводников. Во многих приложениях силовые устройства являются ключевыми элементами силовых электронных систем, несмотря на то, что их стоимость во многих силовых электронных системах незначительна по сравнению с общей стоимостью системы, например, в системах транспортировки энергии, высокоскоростных поездах и т. Д.Улучшение их характеристик и увеличение функциональности (например, силовые устройства SMART) снижает стоимость системы и открывает возможности для новых областей применения, например, транспортных систем, включая инфраструктуру, технологии возобновляемых источников энергии, предприятия SMART (включая прогнозирующее определение старения и связанные с процессами параметры), энергосбережение в силовых электронных блоках управления и т. д. Основные тенденции связаны с высокими частотами переключения, уменьшением или устранением громоздких ферритов и электролитов, а также модульными многоуровневыми топологиями для достижения высоковольтных возможностей даже с низковольтными силовыми транзисторами, многофазными топологиями чтобы рекомендовать более высокие номинальные мощности с низкими паразитными индуктивностями в схеме схемы, а также топологии плавного переключения для более высокого КПД и более низких гармоник.

1.1.1 Тенденции развития силовых устройств на основе Si-материала

Несмотря на то, что силовые MOSFET-транзисторы и IGBT имеют долгую историю, потенциал их дальнейшего развития все еще существует, а кремний остается сильным конкурентом широкой запрещенной зоне. устройства, о чем будет сказано подробнее. Для всех устройств на основе Si, помимо разработки элементов меньшего размера для структур транзисторных ячеек, было проведено множество исследований по таким передовым процессам, как технология изготовления сверхтонких пластин 300 мм и их технологичности.

Для низковольтного силового полевого МОП-транзистора принцип компенсации заряда с использованием структуры ячеек с полевой пластиной был введен в начале прошлого десятилетия и постоянно совершенствовался от поколения к поколению. Основной принцип, лежащий в основе радикального R _{DS (on)} ⁎ A , уменьшение количества полевых МОП-транзисторов по сравнению с обычными силовыми МОП-транзисторами (как показано на рис. 1.3) — это компенсация доноров n-дрейфовой области [6 ]. Изолированный электрод глубокого истока, отделенный от области n-дрейфа толстым оксидным слоем, действует как пластина поля и обеспечивает подвижные заряды, необходимые для уравновешивания доноров области дрейфа в условиях блокировки.Эта геометрия демонстрирует почти постоянное вертикальное распределение поля и допускает повышенное легирование области дрейфа. Это устройство значительно снижает сопротивление в открытом состоянии. Однако для производства таких устройств пришлось преодолеть несколько технических проблем. Поскольку изоляция полевой пластины должна выдерживать полное напряжение блокировки истока и стока устройства на дне траншеи, толщину оксида в микродиапазоне необходимо тщательно регулировать. В процессе производства необходимо учитывать точную глубину и однородность ширины траншеи, а также отличные параметры устройства и малое отклонение параметров, а также обращение с ультратонкой пластиной, несмотря на глубокие канавки и толстые слои оксида.Принимая во внимание все эти параметры (дизайн микросхемы, новые этапы процесса и технологичность изготовления тонких пластин), эти устройства демонстрируют чрезвычайно низкое качество резисторов в открытом состоянии, обладая выдающимися показателями качества за их динамические характеристики и простоту управления. По этим электрическим характеристикам новый тип силовых полевых МОП-транзисторов очень близок к GaN-устройствам. С точки зрения надежности (например, легкости вождения, перегрузочной способности, динамической лавины и т. Д.) Этот транзистор превосходит современные GaN-транзисторы.Частота переключения подходит для всех основных приложений. Однако при работе на нескольких МГц (5 МГц ≤ фут ≤ 20 МГц) предпочтительнее полностью интегрированное системное решение (например, преобразователь постоянного тока в постоянный с боковыми устройствами на основе GaN). Принимая во внимание чрезвычайно низкий конденсатор на входе и выходе, другого решения нет.

Рис. 1.3. Тенденция развития низковольтных силовых полевых МОП-транзисторов: от горизонтальной ячеистой структуры к концепции полевой пластины.

Источник: Infineon Technologies.

Сегодня высоковольтные силовые полевые МОП-транзисторы в диапазоне напряжений 500 В ≤ В _br ≤ 900 В и частот коммутации до 1 МГц реализованы в технологии суперпереходов [7,8].В устройствах с суперпереходом с вертикальным течением тока используется (как показано на рис. 1.4) дополнительный p-столбец, проходящий почти полностью вниз через область блокировки напряжения. Эта структура позволяет увеличить легирование в n-столбце примерно на один порядок без потери блокирующей способности; дополнительный заряд в n-столбце полностью компенсируется встречным зарядом в p-столбце. Следовательно, удельное сопротивление в открытом состоянии зависит только от способности достаточно точно компенсировать эти заряды и изготавливать структуру сверхперехода с еще меньшим шагом столбцов.Помимо этих сложных требований, у приложения есть дополнительные потребности, такие как лавинная способность и контроль скорости переключения, что привело к ряду новых решений, таких как p-образная конструкция и вертикальная структура. Полевые МОП-транзисторы с суперпереходом требуют более сложного технологического процесса. Экономический успех возможен только за счет значительного улучшения резистора в открытом состоянии, характеристик переключения и надежности устройства. Помимо уменьшенного резистора в открытом состоянии, еще одним преимуществом является меньшая входная и выходная емкость, что обеспечивает более быстрое переключение и более низкие динамические потери.

Рис. 1.4. Тенденции развития высоковольтных силовых полевых МОП-транзисторов от традиционной структуры ячеек (угол рисунка слева) до структуры сверхмощного устройства (рисунок внизу справа). Уменьшение площади резистора в открытом состоянии SJ Device Development.

Источник: Infineon Technologies (Г. Дебой).

Непрерывное дальнейшее совершенствование в течение последних нескольких лет было направлено на снижение сопротивления в открытом состоянии, зависящего от конкретной области (как показано на рис. 1.4 в центральной части). Эти положительные результаты были достигнуты с использованием передовой полупроводниковой технологии для реализации более высоких n столбцов на площадь кристалла наряду с меньшими шагами ячеек.Конечно, при увеличении амплитуды тока вдоль n-столбцов создается область пространственного заряда, которая влияет на эффекты защемления тока с последствием высокого падения напряжения в n-столбце. Однако здесь мы не обсуждаем «жесткий» физический предел; это просто вопрос дизайна микросхемы и достижений в развитии технологий. Физические пределы, указанные в публикациях [9], не являются окончательными для дальнейшего развития устройств сверхперехода. Скорее вопрос в том, насколько точно контролируются возможности производства полупроводников.

Наконец, для технологии суперпереходов все еще есть большой потенциал для дальнейших инноваций и возможностей [10]. Принимая во внимание новые разработки для устройств с суперпереходом, все еще может наблюдаться дальнейшее видимое уменьшение резистора в открытом состоянии, а также улучшение коммутационных характеристик вместе с отличной лавинной способностью. Следовательно, эти технологии демонстрируют потенциал конкуренции с устройствами с широкой запрещенной зоной при тех же номинальных напряжениях.

1.1.1.1 МОП-управляемые устройства с модулированной несущей — например, IGBT

В дополнение к униполярным устройствам (например, силовым полевым МОП-транзисторам с полевой пластиной, сверхпереходным транзисторам) во многих приложениях с высокой мощностью полезны устройства с биполярным режимом, управляемые МОП-схемами из-за к возможности создания электронно-дырочной плазмы в открытом состоянии, что приводит к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии. Сегодня IGBT охватывают диапазон напряжений от 600 В ≤ В _до ≤ 6,5 кВ, номинальную мощность до 10 МВт и частоту коммутации до 100 кГц.БТИЗ имеют вертикальный ток, но биполярную проводимость, как показано на рис. 1.5. Эти устройства имеют вертикальный pn-переход и толстый слой n-легирования под ним. Если к этому pn-переходу приложить обратное смещение, образуется обедненный слой и сильное электрическое поле. Достижимая способность блокирующего напряжения зависит от толщины и концентрации легирования n-легированного слоя. Чтобы избежать этой толстой и дорогостоящей, но определяющей характеристики эпитаксии n-слоя 60–120 мкм на подложке Si, в середине 80-х годов прошлого века была представлена подходящая легированная кремниевая подложка, служащая требуемым n-слоем.После полной обработки устройства, в конечном итоге, необходимый тыловой эмиттер формируется только путем реализации и низкотемпературного отжига. Это было прорывом в создании очень стабильных (без какого-либо процесса уничтожения срока службы) устройств с высокой стойкостью к току короткого замыкания [11–13].

Рис. 1.5. Тенденции развития IGBT от обычных пробивных до непробитых и непроходных до TRENCHSTOP и микропроцессорных канавок (три структуры ячеек справа).

Источник: Infineon Technologies.

Основной проблемой, стоящей перед новым типом IGBT, является обработка очень тонких пластин. Для низковольтных IGBT ( В, _или ≤ 400 В) толщина пластины уменьшается почти до 50 мкм. Эти меры приводят к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии и коммутации. Важными препятствиями на пути к успеху разработки этого устройства были коммутационные потери и явление звона.

Улучшенные профили легирования и оптимизированные упаковочные решения помогли преодолеть эти препятствия.Наряду с передовыми технологиями обработки наблюдалось постоянное увеличение плотности клеток, как показано на рис. 1.6. Меньшие элементы мезы позволяют реализовать очень высокую плотность ячеек траншеи. Основным преимуществом такой высокой плотности ячеек канавки является накопление высокой концентрации носителей непосредственно под ячейками канавки, что приводит к низкому напряжению в открытом состоянии для IGBT. С помощью этой тонко структурированной конструкции траншейного элемента также можно оптимизировать конденсатор обратной связи и соотношение между емкостями коллекторного затвора и коллектора-эмиттера, которые отвечают за динамические характеристики.Реализация небольших мезаплощадок является выгодной, поскольку электронная / дырочная плазма уже отклоняется при малых номинальных значениях обратного напряжения, что существенно для снижения потерь при выключении. Другие тенденции развития IGBT смещаются в сторону устройств с обратной проводимостью, которые сегодня используются для резонансных приложений. Для приложений обратной проводки и переключения все еще ведутся разработки. Другая область исследований нацелена на обратную блокировку IGBT, что дает преимущества в многоуровневых технологиях.

Рис. 1.6. Наличие диаметров полупроводниковых пластин для изготовления устройств из кремния, карбида кремния и нитрида галлия.

Сегодня IGBT охватывают широкую область применения, такую как силовые электронные преобразователи для управления двигателями, системы ИБП, FACTS, транспортные системы, технологии возобновляемых источников энергии и т. Д.

1.1.2 Обзор и перспективы

Что касается силовых полупроводниковых устройств на основе кремниевого материала (например, силовые полевые МОП-транзисторы, сверхпереходные транзисторы, IGBT, быстрые выпрямители и т. д.), есть еще огромный потенциал для дальнейшего развития. Реализуя все идеи различных групп НИОКР в реальных продуктах во многих приложениях, устройства Si станут сильным конкурентом на рынке компонентов с широкой запрещенной зоной и будут оставаться таковыми в течение долгого времени. Общей тенденцией развития является уменьшение размера кристалла в пользу более низких потерь в открытом состоянии и динамических потерь, повышение рабочей температуры, интеграция функций датчиков для достижения высоких характеристик самозащиты и получения информации о параметрах, связанных со старением, повышение эффективности охлаждения и поддерживать или повышать отличную прочность и надежность этих устройств.Особой задачей будущего является разработка передовых технологий соединения микросхем, новой керамики для изоляции и превосходных тепловых характеристик, соответствующих материалов для покрытия микросхем, пластиков и материалов выводной рамки, соответствующих коэффициенту теплового расширения, особенно для корпусов большой мощности, с целью повышения рабочая температура выше 200 ° C. Настоятельно требуется усовершенствованная конструкция упаковки для устранения паразитных факторов (например, индуктивности рассеяния и распределенных емкостей) для обеспечения высоких значений di / dt и dv / dt и одновременного повышения показателей надежности, в частности числа циклов мощности и температуры. .Для успешного внедрения устройств с широкой запрещенной зоной требуется много новаторских работ в области высоких рабочих температур, высокой надежности и низкого уровня паразитных воздействий.

Чтобы использовать эти сверхбыстрые коммутационные устройства, которые достигают высокого диапазона МГц с чрезвычайно маленьким размером кристалла и передовыми концепциями охлаждения, новыми материалами для пассивных компонентов и интеллектуальными концепциями для общей системной интеграции (3D-интеграция), необходимо, чтобы мы считали активными устройства, пассивные компоненты, системы охлаждения и соответствующие технологии схем.

Для приложений с низким энергопотреблением (преобразователи постоянного тока в постоянный) тенденция смещается в сторону работы на частоте МГц с полевыми полевыми полевыми МОП-транзисторами выше 5 МГц с устройствами на основе GaN [14,15]. Необходимо разработать совершенно новый подход к проектированию всей системы. Для преобразователей энергии, работающих от сети 220 В, основными соображениями в отношении технологии привода являются плотность мощности и эффективность. В этих приложениях сверхпереходный транзистор (с учетом тенденций их будущего развития) останется привлекательным устройством.

Однако в некоторых схемных технологиях, где требуется мертвое время, обратное восстановление диодов, мощность возбуждения или частота переключения выше 1 МГц, устройства на основе SiC или GaN демонстрируют значительные преимущества.

При номинальном напряжении от 110 до 440 В (в основном используется в жилых и офисных помещениях, а также для автоматизации производства) новые перспективы открываются с сетью постоянного тока. Источник питания постоянного тока потенциально имеет несколько преимуществ в повышении эффективности, минимизации оборудования и снижении затрат по сравнению с исторически сложившейся инфраструктурой питания переменного напряжения.Однако есть несколько аспектов, которые необходимо изучить подробно, например, управление сетью, стабильность сети и способы устранения сбоев, возникающих из-за одной проблемы [16].

Очень важной областью в будущем развитии преобразователей мощности являются модульные многоуровневые и многофазные / чередующиеся топологии. Приоритезация топологий с чередованием для увеличения номинальной мощности работает в сочетании с выгодной способностью модульных многоуровневых топологий расширяться до приложений среднего / высокого напряжения с переключаемыми устройствами питания.Модульные многоуровневые топологии имеют много преимуществ при проектировании систем высокой мощности, таких как устранение больших пассивных фильтров и громоздких трансформаторов, простое устранение неисправностей и т. Д. Анализ тенденций развития силовых полупроводников показывает, что сочетание кремниевых и SiC-устройств открывает потенциальные возможности. для существенных улучшений в следующем десятилетии [17–19].

В сегменте средней и высокой мощности появляется много новых и очень привлекательных приложений (например, технологии возобновляемых источников энергии, включая всю инфраструктуру, железнодорожный транспорт, самолет, электронную мобильность, медицинское оборудование и т. Д.)) В этих областях применения требуется дальнейшее развитие IGBT и устройств на основе SiC в качестве ключевых технологий.

Источники питания AC-DC (коммутационные) | Технология Micromax

Micromax Technology предлагает широкий спектр источников питания AC-DC (импульсных), включая открытые и закрытые конфигурации с различными конфигурациями и функциями вывода, наши блоки питания разработаны для удовлетворения потребностей приложений в различных отраслях промышленности.

Преобразователи переменного тока в постоянный используют импульсный стабилизатор для управления преобразованием электроэнергии наиболее эффективным способом.Несмотря на то, что существует два основных типа регулируемых источников питания, переключение источников питания переменного тока в постоянный сравнительно более надежно и эффективно, чем линейные преобразователи переменного тока в постоянный.

Обеспечивая соответствие нашей конструкции международным стандартам, мы предоставляем решения для приложений с низким, средним и высоким энергопотреблением от проверенных мировых брендов.

Нужен нестандартный блок питания?

Если наши блоки питания AC-DC (импульсные) не являются лучшим решением для вашего приложения, поговорите с нами о блоке питания нестандартной конструкции, отвечающем потребностям вашего бизнеса.

Купить

Посетите наших партнеров s-POWER.com.au, чтобы купить блоки питания переменного тока в постоянный (импульсные) в Интернете.

ВИДЕО: Линейные и импульсные источники питания — в чем разница?

Ключевые особенности нашей линейки импульсных источников питания переменного и постоянного тока марки

Адель Система

Система Adel предлагает действительно полный спектр промышленных блоков питания для целого ряда различных приложений.Широкий диапазон входных напряжений позволяет им работать в любой части мира. Сертифицированы UL и CSA, их конструкция основана на многолетнем опыте работы с более чем 240 моделями, они монтируются на DIN-рейку, просты и безопасны, а также обеспечивают защиту IP20. В ассортимент входят блоки питания FLEX, PSM и PST.

Statronics

Statronics имеет давний и впечатляющий портфель высококачественных источников питания переменного тока в постоянный (импульсный). Они имеют как открытые, так и закрытые конфигурации с множеством функций и соответствуют международным стандартам.

Преимущества коммутации постоянного и переменного тока Statronics:

Достигните КПД до 91%
Компактный размер
Гарантия 3-5 лет
Широкий входной диапазон (от 90 до 264 В переменного тока)
Монтаж на DIN-рейку доступен для большинства продуктов.

КПД

Statronics посвящены вопросам энергоэффективности и уделяют этому большое внимание в процессе проектирования. Управление рабочим циклом позволяет регулировать выходное напряжение, когда МОП-транзисторы переключаются между полностью включенными или полностью выключенными.В результате минимальные потери между входом и нагрузкой приводят к КПД до 91%.

Блок питания для DIN-рейки

Statronics предлагает широкий ассортимент источников питания на DIN-рейку для промышленного применения, которые подходят для ограниченного пространства в шкафах. Для больших требований к мощности у нас есть блоки, которые можно подключать параллельно для достижения высоких требований к мощности.

В чем разница между импульсным и линейным блоком питания?

Линейные источники питания постоянного тока («линейные источники питания») изменяют выходное напряжение до требуемого значения через трансформатор напряжения промышленной частоты (переменный ток 50/60 Гц).После понижения (или повышения) до соответствующего значения переменного напряжения форма волны выпрямляется, фильтруется и стабилизируется схемой регулирования напряжения, а затем выводится как регулируемый постоянный ток (DC). Эти типы источников питания имеют общую характеристику; трансформатор напряжения работает в линейном диапазоне. Шум на входе не усиливается на выходе. Это обеспечивает тихий и стабильный вывод. Но есть и недостатки. Большие статические потери регулирующего элемента требуют большого радиатора для охлаждения устройства, а физические размеры трансформатора, работающего на частотах линии электропередачи (50/60 Гц), велики и тяжелы.

Линейные источники питания:

Быстрый отклик, небольшая пульсация на выходе, низкий уровень шума
Относительно большие размеры, тяжелые, с низким КПД и большим тепловыделением.

Импульсные источники питания постоянного тока («импульсные источники») обычно сначала выпрямляют переменный ток, а затем фильтруют переменный ток в постоянный ток с помощью фильтрующего конденсатора. Затем эта мощность постоянного тока переключается на более высокую частоту через схему переключения (переключатель K). Управляя скоростью переключателя между «разомкнутым» и «замкнутым» состояниями, теперь мы можем создавать ток с более высокой частотой (чем 50/60 Гц) через коммутирующий трансформатор.Наконец, переключающий трансформатор выдает более низкое (или более высокое) желаемое напряжение на другой выпрямитель, конденсатор фильтра и схему регулирования.

Основное различие между импульсным источником питания и линейным источником питания состоит в том, что импульсный источник питания работает не на обычных частотах линии электропередачи (50/60 Гц), а на значительно более высоких частотах (от нескольких кГц до нескольких МГц). В импульсном источнике питания регулирующее устройство работает в области насыщения или отсечки, в отличие от линейного регулятора источника питания, который работает в менее эффективном линейном диапазоне.

Импульсный источник питания:

Небольшой размер, меньший вес и более высокая эффективность (может достигать почти 99%)
Большая пульсация на выходе, помехи RFI / EMI от импульсной мощности, более высокое выходное напряжение в случае отказа

Блоки питания со встроенным коммутатором | SMPS

Блоки питания со встроенным коммутатором | SMPS | RS Components

Импульсный источник питания — это тип электронной схемы, используемой для преобразования энергии. Они также известны как импульсные источники питания или сокращенно SMPS.Типичной топологией ИИП является преобразование переменного тока в постоянный, хотя пользователи могут найти другие переключатели, которые имеют выход постоянного напряжения в постоянное. Как работают SMPS? Чтобы источник питания преобразовывал входное напряжение в выходное, переключатель будет включаться и выключаться с высокой частотой. Катушки индуктивности или конденсаторы внутри устройства будут регулировать мощность устройства.Это непрерывное переключение конденсатора поддерживает напряжение на желаемом уровне и обеспечивает превосходный КПД.
Как SMPS преобразовать переменный ток в постоянный?
В случае использования сети переменного тока входное напряжение будет фильтроваться таким же образом с помощью конденсатора или катушки индуктивности, чтобы регулировать мощность и выдавать выход постоянного тока.
Какой SMPS лучше всего подходит для настольного ПК?
Блок питания, который вы используете в своем ПК, важен, поскольку он в конечном итоге определяет, какие другие компоненты вы можете использовать в нем, и производительность, которую вы получите в конце.Для сборок игровых ПК высокого класса вы должны стремиться к рейтингу эффективности> 80%. Чем выше рейтинг, тем меньше потребляется электроэнергии. Меньше потребляемой электроэнергии означает более легкий отвод тепла, что обеспечивает охлаждение ПК и оптимальную работу. Коммутационные блоки питания с более высокой эффективностью и более низким уровнем рассеивания тепла, как правило, компактны, что делает их идеальными для проектов с ограниченным пространством.
Где используются SMPS? Импульсные источники питания
используются в широком спектре промышленных, коммерческих и бытовых приложений.Вот некоторые из наиболее распространенных: Серверы, ПК / Ноутбуки, Зарядные устройства для мобильных телефонов, Системы безопасности, такие как камеры видеонаблюдения, Машиностроение

Линейный источник питания против импульсного

Источник питания является важной частью схемы, и стабильность источника питания в значительной степени определяет стабильность схемы. Линейный источник питания и импульсный источник питания — это два распространенных источника питания, и у них есть большая разница в принципах, которые определяют разницу между двумя приложениями.

Принцип работы
Линейный источник питания состоит из трансформатора промышленной частоты, выходного выпрямителя и фильтра, цепи управления, схемы защиты и т. Д. Основной принцип линейного источника питания заключается в том, что коммерческая мощность понижается до низкого напряжения переменного тока. через трансформатор промышленной частоты, затем он выпрямляется и фильтруется до постоянного тока, и, наконец, стабильный низковольтный постоянный ток выводится через схему стабилизации напряжения. Регулирующие компоненты в схеме работают в линейном состоянии.

Импульсный источник питания состоит из входного сетевого фильтра, входного выпрямителя и фильтра, инвертора, выходного выпрямителя и фильтра, схемы управления и защитной схемы. Основной принцип заключается в том, что переменный ток напрямую выпрямляется в постоянный ток на выходной стороне, а затем под действием высокочастотного колебательного контура с переключающей трубкой для управления током включения-выключения высокочастотный импульсный ток составляет сформирован. С помощью индуктора (высокочастотного трансформатора) выводится стабильный постоянный ток низкого напряжения.

Преимущества и недостатки

Линейный источник питания
Преимущества: относительно простая конструкция, небольшая пульсация на выходе, небольшие высокочастотные помехи. Простая структура означает легкое обслуживание, то есть обслуживание линейного источника питания часто намного проще, чем импульсного источника питания, и вероятность успешного обслуживания линейного источника питания также намного выше, чем у импульсного источника питания.
Пульсация — это составляющая переменного тока, которая накладывается на установившийся постоянный ток.Чем меньше пульсация на выходе, тем выше чистота постоянного тока на выходе, что является важным символом качества электроэнергии постоянного тока. Высокая пульсация постоянного тока повлияет на нормальную работу трансивера. Теперь полноценная линейная пульсация мощности может достигать уровня 0,5 мВ, обычные продукты могут достигать уровня 5 мВ. Линейный источник питания не имеет устройства, которое работает на высоких частотах, поэтому при правильной работе входного фильтра почти отсутствуют высокочастотные помехи или высокочастотный шум.
Недостатки: поскольку необходим большой и тяжелый трансформатор, объем и вес необходимого конденсатора фильтра довольно велики.Схема обратной связи по напряжению работает в линейном состоянии, а регулирующая трубка имеет определенное падение напряжения, что приводит к высокому энергопотреблению и низкой эффективности преобразования при выводе большего рабочего тока. Также необходимо установить большой радиатор. Он не подходит для компьютеров и другого оборудования, которое будет постепенно заменяться импульсным блоком питания.
Импульсный источник питания
Преимущества: небольшой размер, легкий вес, высокая эффективность, низкое энергопотребление, более сильная защита от помех, широкий диапазон регулирования и модульность.
Недостатки: в цепи инвертора может возникать высокочастотное напряжение, которое создает некоторые помехи для окружающего оборудования, поэтому требуются хорошее экранирование и заземление. После выпрямления переменный ток может стать постоянным. Однако из-за изменений переменного напряжения и тока нагрузки выпрямленное постоянное напряжение обычно приводит к изменениям напряжения от 20% до 40%. Чтобы получить стабильное напряжение постоянного тока, следует использовать схему регулятора напряжения для достижения стабилизации напряжения.

Приложения
Линейный источник питания работает в линейном состоянии.Другими словами, силовые устройства никогда не останавливаются после запуска, поэтому они плохо работают с точки зрения их эффективности работы, которая составляет 50-60%. А еще он большой, малый КПД и большой нагрев. Однако у линейного источника питания есть и преимущества. Он производит меньше шума из-за меньшего количества волн и удовлетворительной скорости регулировки. Линейный источник питания применим к искусственной схеме и различным усилителям.
Импульсный источник питания имеет небольшие размеры, высокий КПД, но с некоторой пульсацией и помехами.С постоянным развитием электронных технологий дизайн импульсных источников питания становится все более и более научным. В настоящее время импульсные источники питания находят более широкое применение, чем линейные источники питания, и становятся основным направлением во всех сферах применения.

Как тестировать и использовать в приложениях

Два основных типа источников питания, линейные и импульсные (SMPS), работают по совершенно разным принципам и имеют отличительные характеристики. Работа по проектированию и обслуживанию каждого из них требует совершенно разных взглядов.

Внутри ИИП.

В настоящее время ИИП широко используется из-за его большей эффективности, более низкой стоимости и лучших весовых и тепловых характеристик. Есть некоторые недостатки, которые, однако, можно устранить путем тщательного планирования на этапе проектирования.

Сначала мы вернемся к старому линейному источнику питания. Это была привычная часть аналоговых телевизоров с ЭЛТ, что привело к значительному весу из-за тяжелого силового трансформатора. Однако это было плюсом, потому что несколько вторичных ответвлений обеспечивали любое количество напряжений, необходимое для смещения, накала, отклонения кинескопа и т. Д.

В линейных источниках питания активные устройства работают на линейной части своих кривых отклика. Это отличается от SMPS, где сначала входная мощность преобразуется в прямоугольные волны с изменяющимся рабочим циклом. Активные компоненты работают в нелинейных режимах. Когда компоненты работают в линейных частях своих кривых отклика, они эффективно действуют как переменные резисторы, рассеивающие мощность (из-за I ² R). Вот почему значительная часть входной мощности рассеивается в виде тепла, и это ситуация с линейным источником питания.

Линейный источник питания состоит из ряда ступеней. Линия переменного тока, часто начинающаяся со штепсельной вилки для приема однофазного сетевого питания 120 В, проходит через отверстие с втулкой в шкафу, где на входе всегда есть предохранитель и выключатель с дополнительным индикатором питания. Он питает первичную обмотку силового трансформатора, который может иметь любое количество вторичных обмоток. Помимо возможности подачи нескольких напряжений, этот тип трансформатора не имеет электрического соединения между первичной и вторичной обмотками, поэтому он известен как изолирующий трансформатор.(Заземление не проходит через трансформатор, если это не автотрансформатор, где первичная и вторичная обмотки представляют собой одну обмотку, ответвленную в разных точках.)

Что хорошо в линейном блоке питания, так это то, что поток мощности легко прослеживается. Он поступает от выпрямителя, состоящего из одного или нескольких диодов, к конденсаторам электролитической фильтрации, подключенным параллельно для устранения пульсаций переменного тока, и иногда к более дорогим последовательно соединенным индукторам для дополнительной очистки постоянного тока. Затем идет линейный регулятор и конечный выход постоянного тока.Все это легко проектировать и диагностировать. Чаще всего причиной неисправностей являются электролитические конденсаторы, которые можно визуально осмотреть и проверить с помощью мультиметра.

Как упоминалось ранее, полупроводники в линейном источнике питания могут эффективно образовывать большое сопротивление, которое рассеивает тепло, а линейные источники питания включают в себя громоздкие компоненты (например, трансформатор), которые делают источник питания физически большим. Для небольших бытовых приборов нагрев может не быть проблемой, но большие размеры и вес компонентов могут быть проблемой.Сотовые телефоны и ноутбуки в том виде, в каком мы их знаем, были бы невозможны с линейными источниками питания.

Напротив, SMPS включает транзистор, который работает как цифровой переключатель. Выключатель либо выключен, практически не проводя тока, либо полностью включен с небольшим сопротивлением. Единственный раз, когда тепло генерируется и должно рассеиваться, — это при переключениях включения / выключения. Чрезвычайно быстрое время нарастания и спада прямоугольной волны делает эти переходы исчезающе короткими. Этим фактором объясняется высокий КПД ИИП.Кроме того, как мы увидим, изолирующий трансформатор работает на частоте переключения, поэтому он может быть меньше по сравнению с трансформатором линии электропередачи 60 Гц, который является важной частью линейного источника питания.

Небольшой размер компонентов, большая эффективность и низкая стоимость привели к широкому использованию SMPS почти во всем электронном оборудовании. Последние инновации позволили использовать его в приложениях с высокой мощностью. Но реализация SMPS не обошлась без проблем.Одним из них является генерация электронного шума, который, если его не уменьшить, может появиться как на входе, так и на выходе SMPS. Кроме того, электронный шум, создаваемый в процессе переключения, может распространяться как излучение от устройства. Это связано с тем, что прямоугольная волна с ее почти мгновенным временем нарастания и спада напоминает высокочастотный источник энергии, богатый разрушающими гармониками.

При включении SMPS выдает пусковой ток, который может повлиять на близлежащее чувствительное оборудование через систему распределения питания.Еще одна потенциальная проблема, вызванная гармониками, — это нагрев нейтрального проводника в источнике питания. Решение состоит в том, чтобы увеличить размер этого провода. Вообще говоря, даже там, где требуются доработки, общие преимущества SMPS значительны независимо от масштабирования.

Регулировка напряжения является неотъемлемой частью ИИП. Он работает за счет изменения соотношения между временем работы и временем отключения. Этот метод является решающим преимуществом по сравнению с линейным источником питания, в котором выходное напряжение должно рассеиваться в полупроводнике.

Выход SMPS является функцией его входа, но не в соответствии с соотношением первичных и вторичных витков в силовом трансформаторе, как в линейном источнике питания. Напротив, одна конфигурация, которая типична для SMPS, состоит в том, чтобы иметь постоянное напряжение последовательно с катушкой индуктивности и переключателем, управляемым прямоугольной волной. Измеренное на переключателе размах напряжения может превышать напряжение постоянного тока, измеренное на входе. Это одна из причин, по которой SMPS работают не для слабонервных.

Более высокое напряжение возникает из-за того, что катушка индуктивности создает индуцированное напряжение в ответ на изменения тока.Это напряжение добавляется к напряжению источника постоянного тока в течение периода времени, когда переключатель разомкнут. Дальнейшее усовершенствование — это добавление к переключателю диода и конденсатора. Пиковое напряжение будет храниться в конденсаторе в виде электрического заряда. В этот момент конденсатор становится источником постоянного тока, а общее выходное напряжение становится больше, чем напряжение постоянного тока на входе. Это повышающий преобразователь, работающий от постоянного, а не переменного тока. Это режим переключения, эквивалентный повышающему трансформатору в линейном источнике питания.

Еще одна разновидность режима переключения — это повышающий-понижающий преобразователь, который изменяет полярность выхода по отношению к входу. Другая реализация — это понижающая схема, которая увеличивает средний выходной ток, причем платой за это является более низкое выходное напряжение.

Конфигурация SMPS зависит от многих факторов. Выходной ток всегда зависит от входной мощности. Но с многочисленными топологиями схем и различными методами управления переключателем, такими как широтно-импульсная модуляция, есть бесконечные комбинации.Таким образом, кривая обучения намного круче по сравнению с линейным источником питания.

Основная трудность при проведении измерений SMPS заключается в том, что часто представляющая интерес форма волны представляет собой пульсацию милливольтного уровня, лежащую на вершине сигнала в диапазоне 100 В. Точно так же компоненты источника питания могут работать при напряжении около 100 В в одном состоянии и при милливольтах в другом. Такой большой динамический диапазон может стать проблемой для восьмиразрядных оцифровывающих осциллографов, обычно используемых в электронных лабораториях.

Например, одним из распространенных измерений SMPS является определение потерь при переключении и средних потерь мощности в коммутационном устройстве.Первым шагом является определение напряжения на коммутационном устройстве во время выключения и включения. Напряжение на коммутационном устройстве имеет широкий динамический диапазон. Напряжение на переключающем устройстве во включенном состоянии зависит от типа переключающего устройства. Напряжение в закрытом состоянии зависит от рабочего входного напряжения и топологии питания. При максимальном входном напряжении для SMPS со входом 120 В напряжение в выключенном состоянии на переключающем устройстве может достигать 750 В. Во включенном состоянии
напряжение на тех же клеммах может варьироваться от нескольких милливольт до около одного вольт.

Для захвата таких сигналов вертикальный диапазон осциллографа должен быть установлен на 100 В / дел. При этой настройке многие осциллографы принимают напряжение до 1 кВ. Проблема с использованием этой настройки заключается в том, что минимальная амплитуда сигнала, которую может разрешить восьмибитный осциллограф, составляет 1000/256, или около 4 В.

Некоторые современные осциллографы предлагают прикладное программное обеспечение для питания, которое решает эту проблему, позволяя пользователю вводить значения R _DSON или V _CEsat для главного полупроводникового переключателя из таблицы данных устройства, вместо того, чтобы пытаться измерить их напрямую.В качестве альтернативы, если измеренное напряжение находится в пределах чувствительности осциллографа, прикладное программное обеспечение может использовать полученные данные для своих расчетов, а не значения, введенные вручную.

Вот как Tektronix описывает влияние задержки распространения на измерения напряжения и тока SMPS. Tek является одним из производителей прицелов, которые предоставляют пакеты для устранения перекосов и подобных проблем, которые решат проблему на его оборудовании.

Другая проблема, возникающая при измерениях SMPS, касается использования пробников напряжения и тока.Необходимо измерить напряжение и ток через переключающее устройство, будь то полевой МОП-транзистор или биполярный транзистор (обычно IGBT). Для этой задачи требуются два отдельных датчика: высоковольтный дифференциальный пробник и датчик тока. Каждый из этих пробников имеет различную задержку распространения. Разница в этих двух задержках, известная как
как перекос, вызывает неточные временные измерения и искажения отображаемых форм сигналов мощности.

Задержки распространения сигнала пробником могут повлиять на измерения максимальной пиковой мощности просто потому, что мощность является произведением напряжения и тока.Если две перемноженные переменные не идеально выровнены по времени, результат будет неверным.

К счастью, есть способы выровнять показания датчика, чтобы не пострадали точность измерений, например потери переключения. Некоторое программное обеспечение для измерения мощности автоматически устраняет перекос зондов. Здесь программное обеспечение берет на себя управление осциллографом и регулирует задержку между каналами напряжения и тока с использованием сигналов тока и напряжения под напряжением.

Также доступна функция статического смещения.Эта функция использует тот факт, что некоторые датчики напряжения и тока имеют постоянные и повторяемые задержки распространения. Встроенная таблица времени распространения для выбранных пробников позволяет функции статической компенсации перекоса автоматически регулировать задержку между выбранными каналами напряжения и тока.

Дифференциальные и токовые пробники могут иметь небольшие смещения, которые следует удалить перед выполнением измерений. Некоторые датчики имеют встроенный автоматический метод удаления смещения. Для других датчиков требуется удаление смещения вручную.Большинство пробников дифференциального напряжения имеют встроенные регуляторы смещения постоянного тока, что делает удаление смещения относительно простым.

Точно так же датчики тока нуждаются в настройке перед выполнением измерений. Дифференциальные и токовые пробники являются активными устройствами, и всегда будет присутствовать некоторый низкий уровень шума, даже в состоянии покоя. Этот шум может ухудшить измерения, основанные на данных формы сигнала как напряжения, так и тока. Следовательно, некоторые программы измерения мощности включают в себя функции преобразования сигнала, которые сводят к минимуму влияние собственных шумов датчика.

Наконец, все дело в коэффициенте мощности, который является заботой как менеджера объекта, так и коммунального предприятия. Линейный источник питания обычно имеет низкий коэффициент мощности. SMPS без коррекции коэффициента мощности потребляет большой ток, совпадающий с пиками формы сигнала переменного тока. Эту проблему можно смягчить с помощью хорошо продуманной коррекции коэффициента мощности. Точно так же сильный пусковой ток в SMPS может быть уменьшен с помощью оборудования плавного пуска.

Подводя итог, можно сказать, что по сравнению с линейным источником питания, SMPS эффективен и имеет низкую стоимость.Однако его гораздо большая сложность требует опыта, выходящего за рамки простой электроники.

Импульсный источник питания

— STEPPERONLINE

Сортировать по: DefaultName (A — Z) Имя (Z — A) Цена (Низкая> Высокая) Цена (Высокая> Низкая) Рейтинг (Наивысший) Рейтинг (Наименьший) Модель (A — Z) Модель (Z — A)

Показать: 20255075100

Артикул: S-150-24

14,71 $ Начиная с: 12,75 $

Артикул: S-150-36

14,71 $ От 12 долларов.75

Артикул: S-150-48

Этот профессиональный импульсный источник питания с ЧПУ 150 Вт, 48 В, 3,1 А может широко использоваться в промышленной автоматизации и в шаговых / сервосистемах с ЧПУ. 115 В и 230 В можно выбрать переключателем. Мощные функции (например, ШИМ-управление) и профессиональный дизайн.

14,71 $ Начиная с: 12,75 $

Артикул: S-201-12

17,87 $ Начиная с: 15,48 $

Артикул: S-201-24

17,87 $ Начиная с: 15,48 $

Артикул: S-201-36

17 долларов.87 Начиная с: 15,48 $

Артикул: С-250-24

21,28 $ Начиная с: 18,44 $

Артикул: S-250-48

Этот профессиональный импульсный источник питания с ЧПУ 250 Вт, 48 В, 5,0 А может широко использоваться в промышленной автоматизации и в шаговых / сервосистемах с ЧПУ. 115 В и 230 В можно выбрать переключателем. Мощные функции (например, ШИМ-управление) и профессиональный дизайн.

21,28 $ Начиная с: 18,44 $

Артикул: S-350-24

26,27 $ От 22 долларов.77

Артикул: С-250-80

Этот профессиональный импульсный источник питания с ЧПУ 250 Вт 80 В 3,0 А может широко использоваться в промышленной автоматизации и в шаговых / сервосистемах с ЧПУ. 115 В и 230 В можно выбрать переключателем. Мощные функции (например, ШИМ-управление) и профессиональный дизайн.

22,59 долл. США Начиная с: 19,58 $

SKU: S-350-36

26,27 $ Как низко как: $ 22,77

Артикул: S-350-48

26,27 $ Начиная с: 22,77 $

SKU: S-350-60

26 долларов.27 Начиная с: 22,77 $

Артикул: С-400-12

27,59 долл. США Начиная с: 23,91 $

Артикул: С-400-24

27,59 долл. США Начиная с: 23,91 $

Артикул: С-400-36

27,59 долл. США Начиная с: 23,91 $

Артикул: С-400-48

27,59 долл.

Импульсный блок питания или линейный

Импульсный блок питания или линейный. История вопроса

Импульсный блок питания. Стереотип «сложность»

Импульсный блок питания. Стереотип «ненадёжность»

Импульсный блок питания. Стереотип «помехи»

Импульсный блок питания.

Импульсный блок питания. Небольшой вес

Импульсный блок питания. Меньшая стоимость

Импульсный блок питания. Надёжность

Импульсный блок питания.

Читайте также по теме

Импульсные блоки питания — устройство, применение, неисправности и ремонт

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

ТИПОВЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И РЕМОНТ

Чем отличается импульсный блок питания от обычного: особенности и отличия

Обычные блоки питания (трансформаторного типа)

Импульсные блоки питания

Сравнение импульсного и обычного блоков питания

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного

Трансформаторные блоки питания

Достоинства трансформаторных блоков питания

Импульсные блоки питания

Достоинства импульсных блоков питания

Выбор блока питания — E-core

Развязка с сетью

Пульсации и помехи

Стабильность выходного напряжения

Заключение

Как полвека назад Стив Джобс произвел революцию в компьютерных блоках питания

Как устроен импульсный блок питания

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:

Схема импульсного блока минимального размера

ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:

Что делает импульсный блок питания (ИБП)

Чем отличается от трансформаторного блока питания

Как работает трансформаторный блок питания

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Схемы импульсных блоков питания

Входной фильтр

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

Инвертор или блок ключей

Силовой трансформатор

Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

Принцип работы импульсного блока питания

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

— обзор

1.1 Тенденция развития систем силовой электроники — влияние на силовые устройства следующего поколения

1.1.1 Тенденции развития силовых устройств на основе Si-материала

1.1.1.1 МОП-управляемые устройства с модулированной несущей — например, IGBT

1.1.2 Обзор и перспективы

Источники питания AC-DC (коммутационные) | Технология Micromax

ВИДЕО: Линейные и импульсные источники питания — в чем разница?

Ключевые особенности нашей линейки импульсных источников питания переменного и постоянного тока марки

Адель Система

Statronics

В чем разница между импульсным и линейным блоком питания?

Блоки питания со встроенным коммутатором | SMPS

Как SMPS преобразовать переменный ток в постоянный?

Какой SMPS лучше всего подходит для настольного ПК?

Где используются SMPS? Импульсные источники питания

Линейный источник питания против импульсного

Как тестировать и использовать в приложениях

— STEPPERONLINE

Добавить комментарий Отменить ответ