Импульсный блок питания для чайников: Страница не найдена — Электрознаток

Содержание

Устройство и принцип работы импульсного блока питания, основные характеристики, конструктивные исполнения достоинства и область применения

Блок питания — это устройство, преобразующее сетевое напряжения до уровня, необходимого для работы электрических схем различных приборов. Вторичные источники электропитания часто используются для бытовой техники и промышленных установок, содержащих электронику.

Изначально источники вторичного напряжения строились по схеме, которую принято называть трансформаторной. Принцип её работы состоит в трансформации сетевого напряжения до необходимого уровня с последующим его выпрямлением и стабилизацией.

Типовая схема традиционного источника электропитания состоит из следующих элементов:

  • силовой понижающий трансформатор, содержащий одну или несколько вторичных обмоток, в зависимости от потребностей питаемой схемы; выпрямительный блок, как правило, выполняется по схеме диодного моста;
  • конденсатор фильтра, включенный между положительным и отрицательным выводами моста и необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, иногда для улучшения параметров фильтра, в схему добавляется дроссель;
  • стабилизатор выходного напряжения, построенный на основе специализированной микросхемы или содержащий ключевой транзистор и небольшую схему управления.

Эти схемы надёжны в работе, не создают высокочастотных помех, обеспечивают гальваническую развязку между первичными и вторичными цепями. Тем не менее есть ряд причин по которым они уступают блокам питания импульсного типа.

Трансформаторы, преобразующие напряжение с частотой 50 герц, отличаются относительно большими габаритами и весом. Это свойство трансформаторных источников электропитания вступило в противоречие с общими принципами миниатюризации бытовых и промышленных электроприборов.

Проблему удалось решить путём создания импульсных или инверторных блоков. Такие параметры трансформатора, как сечение магнитопровода, количество витков обмотки и сечение провода, существенно уменьшаются с увеличением частоты преобразуемого напряжения.

Это также относится к ёмкости, следовательно, и к габаритам фильтрующих конденсаторов. Этот базовый принцип электротехники был послужил основой при создании вторичных источников питания нового типа.

КАК РАБОТАЕТ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Принцип работы импульсного блока питания заключается в ряде последовательных преобразований питающего напряжения:

  • выпрямление входного напряжения;
  • инвертирование, то есть, генерация сигнала с частотой от десятков до сотен килогерц;
  • трансформация высокочастотных импульсов до требуемого уровня;
  • выпрямление и фильтрация полученного напряжения.

Цепочка преобразований в описании принципа работы импульсного блока питания выглядит достаточно громоздкой и даже лишённой смысла. Однако нужно учесть что в данной схеме преобразуется напряжение, частота которого в отдельных моделях составляет 200 кГц (а не 50 Гц, как в трансформаторных источниках питания).

Трансформаторы, которые работают на высоких частотах, называют импульсными. Обычно они используют магнитопровод тороидальной формы (в виде бублика) небольшого размера. Это позволило уменьшить вес и габариты блока той же мощности более чем на порядок.

Тор обычно изготавливается штамповкой из пермаллоя — сплава, состоящего из железа и никеля, магнитопровод же низкочастотного трансформатора набирается из тонких пластин электротехнической стали.

Принцип инверторного преобразования дает возможность создать сверхминиатюрные аппараты электродуговой сварки, работа которых возможна от обычной бытовой розетки, способные сваривать металл до 10 мм толщиной, легко переносимые в небольшой сумке с плечевым ремнём.

Базовые принципы, на которых основано устройство импульсного блока питания не новы, всё находится в рамках давно устоявшихся представлений об электричестве. Что же мешало создать их раньше? Причина в технологии.

Главными электронными компонентами инверторного преобразователя импульсного блока являются элементы схемы, способные работать с высокими частотой и напряжением и большими токовыми нагрузками.

Раньше, компонентов, отвечающих этим требованиям, просто не существовало. Настоящий прорыв в развитии и распространении инверторных технологий произошёл после того, как мировым производителям электроники удалось наладить массовое производство мощных IGBT – транзисторов, а также полевых транзисторов по технологии MOSFET.

Они отличаются очень малым значением тока управления, что обеспечивает высокий КПД блока.

Кроме мощных транзисторных ключей, инвертор содержит времязадающие цепочки, генерирующие высокочастотные сигналы управления транзисторами.

Применение в этом качестве цифровых микросхем ШИМ – контроллеров позволяет ещё более миниатюризировать электронную часть. Контроллер широтно импульсного модулирования формирует прямоугольные периодические импульсы. В целом схемотехнически импульсные блоки питания относительно просты.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт обратной связи этого параметра с задающими цепями ШИМ – контроллера. Принцип работы обратной связи — при отклонении уровня контролируемого параметра на выходе от номинального значения происходит изменение скважности импульсов, формируемых контроллером.

Скважностью импульсов называется безразмерная величина, равная отношению периода чередования этих импульсов к их длительности. Таким образом, скважность изменяется от 0 до 1.

Увеличение уровня выходного напряжения вызывает снижение скважности и наоборот, то есть, имеет место отрицательная обратная связь. Скважность, задаваемая контроллером, определяет режим работы ключевых транзисторов. Чем выше значение скважности, тем большую часть периода транзистор открыт, и тем больше среднее значение напряжение за период.

Описанный принцип стабилизации обеспечивает работу блока питания в очень широком диапазоне изменения питающего напряжения. Резюмируя сказанное, преимущества импульсных блоков питания таковы:

  • малые габариты и вес по сравнению с трансформаторными источниками питания;
  • схемотехническая простота, обусловленная применением интегральных электронных компонентов;
  • возможность работы в широком диапазоне изменения значений входного напряжения.

ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ

Источники вторичного напряжения инверторного типа используются повсеместно, как в быту, так и в промышленной технике. Перечень устройств и бытовых приборов, в которых реализована схема электропитания, работающая по принципу инверторного преобразователя:

  • все виды компьютерной техники;
  • телевизионная и звуковоспроизводящая аппаратура;
  • пылесосы, стиральные машины, кухонная техника;
  • источники бесперебойного электроснабжения различного назначения;
  • системы видеонаблюдения, комплексы охранной сигнализации.

Исполнение инверторных источников зависит от условий эксплуатации и назначения. Блоки питания, встроенные в электроприбор, выполняются бескорпусными. Они могут располагаться внутри основного изделия на отдельной плате, или быть интегрированы в общую плату электроприбора.

Существуют источники электропитания для автономного применения, к ним могут подключаться различные потребители. Примером могут служить зарядные устройства, источники электропитания систем видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации. Такие блоки питания размещаются в отдельном корпусе и комплектуются штекерами и проводами для подключения.

  *  *  *


© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Импульсные источники питания принцип работы для чайников

Импульсные источники питания — общие принципы, преимущества и недостатки

Сегодня уже трудно в каком-нибудь бытовом приборе или блоке питания обнаружить трансформатор на железе. В 90-е годы они начали быстро уходить в прошлое, уступая место импульсным преобразователям или импульсным источникам питания (сокращенно ИИП).

Импульсные источники питания превосходят трансформаторные по габаритам, качеству получаемого постоянного напряжения, они имеют широкие возможности регулировки выходного напряжения и тока, а также традиционно оснащены защитой от перегрузки по выходному току. И хотя считается, что импульсные блоки питания являются основными поставщиками помех в бытовую сеть, тем не менее широкое их распространение вспять уже точно не повернуть.

Трансформаторный источник питания:

Импульсный источник питания:

Своей повсеместной распространенностью импульсные блоки питания обязаны полупроводниковым ключам — полевым транзисторам и диодам Шоттки. Именно полевой транзистор, работающий совместно с дросселем или трансформатором, является сердцем любого современного импульсного источника питания: в инверторах, сварочных аппаратах, источниках бесперебойного питания, во встроенных блоках питания телевизоров, мониторов и т. д. — нынче практически везде используются только импульсные схемы преобразования напряжения.

Общий принцип функционирования импульсного преобразователя основан на законе электромагнитной индукции, и в этом он сходен с любым трансформатором. Разница лишь в том, что на обычный сетевой трансформатор переменное напряжение с частотой сети 50 Гц подается сразу на первичную обмотку и преобразуется непосредственно, (после чего, если нужно, выпрямляется) а в импульсном блоке питания сетевое напряжение сначала выпрямляется и превращается в постоянное, и уже после — преобразуется в импульсное, с тем чтобы далее быть повышенным либо пониженным при помощи специальной высокочастотной (по сравнению с сетевыми 50 герцами) схемы.

Схема импульсного источника питания включает в себя несколько главных составных частей: сетевой выпрямитель, ключ (или ключи), трансформатор (или дроссель), выходной выпрямитель, блок управления, а также блок стабилизации и защиты. Выпрямитель, ключ и трансформатор (дроссель) — основа силовой части схемы ИИП, в то время как электронные блоки (включая ШИМ-контроллер) относятся к так называемому драйверу.

Итак, сетевое напряжение подается через выпрямитель на конденсатор сетевого фильтра, где таким образом получается постоянное напряжение, максимум которого составляет от 305 до 340 вольт, в зависимости от текущего среднего значения напряжения в сети (от 215 до 240 вольт).

Выпрямленное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора (дросселя) в форме импульсов, частота следования которых определяется обычно схемой управления ключом, а длительность — средним током питаемой нагрузки.

Ключ с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц подключает и отключает первичную обмотку трансформатора или дросселя к конденсатору фильтра, перемагничивая таким образом сердечник трансформатора или дросселя.

Различие между трансформатором и дросселем: в дросселе фазы накопления энергии от источника сердечником и отдачи энергии из сердечника через обмотку — в нагрузку, разделены во времени, а в трансформаторе это происходит одновременно.

Дроссель применяется в преобразователях без гальванической развязки топологий: повышающий — boost, понижающий — buck, а также в преобразователях с гальванической развязкой топологии обратноходовый — flyback. Трансформатор применяется в преобразователях с гальванической развязкой следующих топологий: мост — full-bridge, полумост — half-bridge, двухтактный — push-pull, прямоходовой — forward.

Ключ может быть одиночным (обратноходовый преобразователь, прямоходовый преобразователь, повышающий или понижающий преобразователь без гальванической развязки) или же силовая часть может включать в себя несколько ключей (полумост, мост, двухтактный).

Схема управления ключом (ключами) получает с выхода источника сигнал обратной связи по напряжению или по напряжению и току нагрузки, в соответствии с величиной этого сигнала автоматически осуществляется регулировка ширины (скважности) импульса, управляющего длительностью проводящего состояния ключа.

Выход источника устроен следующим образом. Со вторичной обмотки трансформатора или дросселя, либо с единственной обмотки дросселя (если речь идет о преобразователе без гальванической развязки), импульсное напряжение подается через диоды Шоттки двухполупериодного выпрямителя — на конденсатор фильтра.

Здесь же находится делитель напряжения с которого берется сигнал обратной связи по напряжению, а также может присутствовать датчик тока. К конденсатору фильтра, через дополнительный выходной НЧ-фильтр или напрямую, присоединяется нагрузка.

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Импульсный блок питания служит для преобразования входного напряжения до величины, необходимой внутренним элементам устройства. Иное название импульсных источников, получившее широкое распространение, — инверторы.

Что это такое?

Инвертор — это вторичный источник питания, который использует двойное преобразование входного переменного напряжения. Величина выходных параметров регулируется путем изменения длительности (ширины) импульсов и, в некоторых случаях, частоты их следования. Такой вид модуляции называется широтно-импульсным.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты. Этим он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов. Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока. То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Количество и полярность выходных значений может быть самым различным в зависимости от того, как работает импульсный блок питания.

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

Первые отличаются тем, что импульсная последовательность поступает непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум комплектующих. Простой инвертор включает в себя специализированную интегральную микросхему — широтно-импульсный генератор.

Из недостатков бестрансформаторных устройств главным является то, что они не имеют гальванической развязки с питающей сетью и могут представлять опасность удара электрическим током. Также они обычно имеют небольшую мощность и выдают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых высокочастотная последовательность импульсов поступает на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно много, что позволяет формировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена на собственный выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Мощный импульсный блок питания любого компьютера построен по такой схеме, которая имеет высокую надежность и безопасность. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 Вольт, поскольку эти значения требуют максимально точной стабилизации.

Использование трансформаторов для преобразования напряжения высокой частоты (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило многократно снизить их габариты и массу и использовать в качестве материала сердечника (магнитопровода) не электротехническое железо, а ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой.

На основе широтно-импульсной модуляции построены также преобразователи постоянного тока. Без использования инверторных схем преобразование было связано с большими трудностями.

Схема БП

В схему самой распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

  • сетевой помехоподавляющий фильтр;
  • выпрямитель;
  • сглаживающий фильтр;
  • широтно-импульсный преобразователь;
  • ключевые транзисторы;
  • выходной высокочастотный трансформатор;
  • выходные выпрямители;
  • выходные индивидуальные и групповые фильтры.

Назначение помехоподавляющего фильтра состоит в задерживании помех от работы устройства в питающую сеть. Коммутация мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком спектре частот. Поэтому здесь необходимо в качестве проходных конденсаторов фильтрующих звеньев использовать разработанные специально для этой цели элементы.

Выпрямитель служит для преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а установленный следом сглаживающий фильтр устраняет пульсации выпрямленного напряжения.

В том случае когда используется преобразователь постоянного напряжения, выпрямитель и фильтр становятся ненужными, и входной сигнал, пройдя цепи помехоподавляющего фильтра, подается непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ является самой сложной частью схемы импульсного источника питания. В его задачу входят:

  • генерация высокочастотных импульсов;
  • контроль выходных параметров блока и коррекция импульсной последовательности в соответствии с сигналом обратной связи;
  • контроль и защита от перегрузок.

Сигнал с ШИМ подается на управляющие выводы мощных ключевых транзисторов, включенных по мостовой или полумостовой схеме. Силовые выводы транзисторов нагружены на первичную обмотку выходного трансформатора высокой частоты. Вместо традиционных биполярных транзисторов используются IGBT- или MOSFET-транзисторы, которые отличаются малым падением напряжения на переходах и высоким быстродействием. Улучшенные параметры транзисторов способствуют уменьшению рассеиваемой мощности при одинаковых габаритах и технических параметрах конструкции.

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

  • различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.
Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Импульсный блок питания

Для обычного человека, не вникающего в электронику, был незаметен переход всех питающих устройств с линейных на импульсные. Именно импульсные источники (ИИП) питания устанавливаются во всей современной аппаратуре. Основная причина перехода на такой тип преобразователей напряжения — это уменьшение габаритов. Так как всё время, с начала появления и изобретения, электронные приборы требуют постоянного уменьшения их размеров. На рисунке изображен для сравнения габариты обычного и импульсного источника постоянного тока. Не вооруженным глазом видны различия в размерах.

Принцип действия ИИП и его устройство

Импульсный источник питания — это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты. В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора. Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением. Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц. Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

При этом импульсные трансформаторы, в отличие от обычных линейных, имеют ферритовый сердечник магнитопровода, а не стальной из пластин. И также современные блоки питания работающие по этому принципу состоят из:

  1. выпрямителя сетевого напряжения;
  2. генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
  3. преобразователя постоянного стабилизированного напряжения.

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания. Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

Даже при работе на таких частотах эти импульсные устройства вырабатывают высокочастотные помехи. А чем больше их в одном помещении или в одном закрытом помещении тем больше их в радиочастотах. Для поглощения этих негативных влияний и помех устанавливаются специальные помехоподавляющие фильтры на входе устройства и на его выходе.

Это наглядный пример современного импульсного блока питания применяемого в персональных компьютерах.

A — входной выпрямитель. Могут применяться полумостовые и мостовые схемы. Ниже расположен входной фильтр, имеющий индуктивность;
B — входные с довольно большой емкостью сглаживающие конденсаторы. Правее установлен радиатор высоковольтных транзисторов;
C — импульсный трансформатор. Правее смонтирован радиатор низковольтных диодов;
D — катушка выходного фильтра, то есть дроссель групповой стабилизации;
E — конденсаторы выходного фильтра.
Катушка и большой жёлтый конденсатор, находящиеся ниже E, являются компонентами дополнительного входного фильтра, установленного непосредственно на разъёме питания, и не являющегося фрагментом основной печатной платы.

Если схему радиолюбитель изобретает сам то он обязательно заглядывает в справочник по радиодеталям. Именно справочник является основным источником информации в данном случае.

Обратноходовой импульсный источник питания

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

  1. Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
  2. Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

  1. Значительное снижение габаритов и массы устройств;
  2. Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
  3. Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
  4. Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
  5. Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

  1. Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
  2. Нежелательная работа их без нагрузки;
  3. Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники. Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться. ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Видео о работе импульсного источника питания

Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

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.

Ремонт импульсных блоков питания своими руками

В любой электронной системе, работающей от импульсного блока питания, наступает неприятный момент, когда приходится сталкиваться с проблемным выходом его из строя. К сожалению, импульсные радиоэлементы или блоки, как показывает практика, не столь долговечны, как того хотелось бы, поэтому требуют к себе более пристального внимания, а зачастую просто замены или ремонта.

В последнее время многие производители импульсных блоков питания решают вопрос ремонта или замены своего «детища» кардинально. Они просто делают монолитные импульсные блоки, не оставляя практически никаких вариантов начинающим радиолюбителям для их ремонта. Но если вы стали обладателем разборного импульсного блока питания, то в умелых руках и владея определёнными знаниями и элементарными навыками замены радиоэлементов, вы легко сможете самостоятельно продлить срок его службы.

Общие принципы работы импульсных блоков питания

Давайте сначала разберёмся с общим принципом работы любого импульсного блока питания. Тем более что основные рабочие функции и даже выходные напряжения для определённых моделей, которые необходимы для функционирования всей системы (будь то телевизор или другой вариант электронного устройства) у всех импульсников практически одинаковы. Различаются только индивидуальные схематические рисунки и соответственно применяемые радиоэлементы и их параметры. Но это уже не столь важно для понимания общего принципа его работы.

Для простых любителей или «чайников»: общий принцип работы импульсных блоков питания заключается в трансформации переменного напряжения, которое подаётся непосредственно из розетки 220 В в постоянные выходные напряжения для запуска и работы всех остальных блоков системы. Осуществляется такая трансформация с помощью соответствующих импульсных радиоэлементов. Основными из них являются импульсный трансформатор и транзистор, которые обеспечивают рабочее функционирование всех электропотоков. Для проведения ремонта нужно знать как запускается этот блок. А для начала проверить наличие входного рабочего напряжения, предохранитель, диодный мост и так далее.

Рабочий инструмент для проверки импульсных блоков питания

Для ремонта импульсного блока питания, вам потребуется обычный, даже простенький мультиметр, который проверит постоянное и переменное напряжение. С помощью функций омметра, прозвонив сопротивления радиодеталей, вы также можете быстро проверить исправность предохранителей, дросселей, рабочее сопротивление резисторов, «бочонки» электролитических конденсаторов. А также транзисторные диодные переходы или диодные мосты и прочие виды радиоэлементов и их связи в любой электронной схеме (иногда даже не выпаивая их полностью).

Проверять импульсный блок сначала нужно в «холодном» режиме. В этом случае прозваниваются все визуально подозрительные (вздувшиеся или горелые радиодетали), которые поддаются «холодной» проверке без подачи рабочего напряжения. Визуально испорченные радиодетали следует немедленно заменить на новые. Если облезла маркировка воспользуйтесь принципиальной схемой или найдите соответствующий вариант в интернете.

Замену производить нужно только с разрешающим допуском по определённым параметрам, который вы можете найти для любого радиоэлемента в специализированной литературе или в прилагающейся к прибору схеме. Это безопасный метод, потому что импульсные блоки питания очень коварны своими электрическими разрядами.

Не забывайте и то, что при обнаружении нерабочего радиоэлемента, нужно проверить соседние с ним детали. Зачастую резкие перепады напряжения при сгорании одного элемента, влекут за собой выход из строя соседних. В процессе практической деятельности по ремонту определённых моделей вы будете логически вычислять неисправность исходя из результата состояния ремонтируемого объекта. К примеру, даже по определённому запаху (запах тухлых яиц при выходе из строя электролита), при включении по монотонному звуку или треску в процессе работы блока и прочих дефектах, которые могут возникнуть в процессе работы любого электронного прибора.

В рабочем режиме проверка импульсного блока питания возможна только при нагрузке всей системы – не вздумайте отключить нагрузочные шины телевизора при проверке. Можно создать нагрузку искусственным путём с помощью подключения специально собранного нагрузочного эквивалента.

Основные неисправности и методы проверки импульсных блоков питания

Как включить и выставить определённый режим мультиметра каждый может разобраться сам, даже школьник. Перед началом проверки убедитесь в работоспособности сетевого кабеля или выключателя, которые можно определить визуально или с помощью мультиметра. Не забудьте при любой проверке разрядить электролитические конденсаторы. Они накапливают и удерживают довольно приличный заряд на протяжении определённого времени, даже после выключения всей системы.

  1. Для этого закоротите контакт любого электролита, а лучше пройдитесь по всей плате изолированным щупом (с номинальным сопротивлением несколько кОм и мощностью больше 0,5 Вт), который другим концом будет подсоединён к заземлению. Старайтесь заземлять только точечные контакты, не прикасаясь одновременно к двум, иначе можете испортить радиодетали. Иногда таким способом вы сможете убрать «коротыш». Это короткое замыкание в схеме, которое может возникнуть при выходе из строя некоторых элементов блока питания.
  2. Как уже говорилось выше все вздувшиеся и чёрные радиоэлементы нужно сразу заменить на подобные, но не спешите после этого сразу опробовать весь блок. Прозвоните соседние детали и при необходимости замените их.
  3. Прозвонить силовые и выпрямительные мосты (при необходимости выпаять), обычно они выполнены на диодах, которые проверяются омметром и имеют односторонний переход. Для проверки подключите щупы мультиметра ко входу и выходу диода (сначала чёрный щуп к одному контакту, а красный к другому, а затем меняя местами), вы должны убедиться, что он не пробит. То есть, вы должны увидеть определённое числовое показание мультиметра, когда подключите щупы в правильном направлении плюс и минус. Единица будет означать исправность перехода в обратном направлении (т. е. непробитый переход). Таким способом нужно проверить все сомнительные детали с диодными переходами.

Возможные причины выхода из строя импульсного блока питания и необходимая замена нерабочих радиоэлементов:

  1. При сгорании предохранителя весь блок обесточивается. Заменить перегоревший контакт очень просто. Используйте обычный проволочный волосок, который наматывается поверх предохранителя или припаивается непосредственно к его контактам. Необходимо учитывать толщину волоска, которая рассчитана на определённую силу тока. Иначе вы рискуете в последующем вывести из строя весь импульсный блок, если предохранитель не сработает.
  2. Если полностью отсутствует выходное напряжение, возможно, неисправен соответствующий конденсатор или дроссель, который нужно заменить или поменять обмотку. Для этого нужно размотать повреждённый провод и намотать новый с соответственным количеством витков и подходящим сечением. После чего самодельный дроссель впаивается на своё рабочее место.
  3. Проверить все диодные мосты и переходы. Как это сделать описано выше. Не забывайте при установке новых деталей производить самостоятельную, а главное, качественную пайку.

Самостоятельная и качественная пайка

  1. Предметы первой необходимости при ремонте это паяльник, канифоль и «отсос». Отсос – механический (или электрический) прибор, который применяется во время выпаивания элементов и служит для предотвращения перегрева во время пайки. Принцип его работы заключается в резком втягивании в себя расплавленного олова, которое при сильном нагреве может вывести радиоэлемент из строя. Особенно это касается интегральных микросхем, которые очень чувствительны к таким температурным скачкам. Отсосы бывают механические и электрические. Хорошо и правильно подобранный по мощности паяльник в сочетании с отсосом являются отличным тандемом для качественной пайки.
  2. Для выпаивания и обратной установки необходимых радиоэлементов можно пользоваться не только паяльником и отсосом, но и термовоздушной паяльной станцией. Её несложно соорудить и самому. Обычный вентилятор можно использовать в качестве нагнетателя, а спираль буде нагревающим элементом. Схема на тиристоре будет оптимальным вариантом для регулировки температуры. Такая станция ещё удобна и для прогрева всех подозрительных и некачественных паек, которые могут стать причиной появления микротрещин, и как результат – плохого контакта.

Правильная и качественная пайка является одним из основополагающих навыков, которым должен овладеть любой начинающий радиолюбитель. От этого зависит конечный результат всего ремонта и срок дальнейшей эксплуатации отремонтированного прибора.

Основные этапы ремонта импульсных блоков питания

  1. Несмотря на то что практически все импульсные блоки питания работают почти по одному принципу, схематические схемы для разных моделей электроприборов могут существенно различаться. Поэтому прежде чем приступить к ремонту постарайтесь найти электрическую принципиальную схему именно на тот объект, который собираетесь ремонтировать. Это поможет и для замеров конкретных рабочих напряжений в определённых точках, чтобы быстрее понять и найти неисправный элемент в цепи.
  2. Как бы теоретически вы ни были подкованы в этой области, без практических навыков вам не обойтись. Элементарные знания и практическое использование мультиметра или осциллографа, а также практические навыки по замене радиоэлементов с помощью паяльника и припоя вам просто необходимы в процессе ремонта.
  3. Если первые два этапа выполнены и вы готовы начать – разберите и почистите устройство с помощью пылесоса и произведите визуальную проверку блока (обратите внимание на вздутые конденсаторы, гарь и прочие механические дефекты).
  4. Проверьте электроприборами соответствие рабочих напряжений согласно схеме или просто подозрительные радиоэлементы. Осциллографом определите соответствие необходимых пульсаций в контрольных точках. После этого делайте выводы и производите необходимые замены.

Возможные неисправности типовых импульсных блоков питания на примере телевизора или компьютера:

  • Если нет свечения светодиода дежурного режима телевизора, прозвоните сетевой шнур и предохранитель блока питания. Когда они в порядке проверьте дальше выпрямительный мост, транзисторы, стабилитроны и выходные напряжения микросхемы. Не забудьте устранить возможные «коротыши». А также можете пойти от обратного. Для этого замерьте выходные напряжения, которые должны подаваться на остальные блоки и если найдёте несоответствие – проверяйте всю цепочку в обратном порядке. Включайте при этом не только измерительные приборы, но и свою логику. Для этого, конечно, нужны теоретические знания работы тока в конкретном блоке. Но если вы имеете представление хотя бы о простых законах Ома – сделать это будет несложно.
  • Для ремонта компьютерного блока питания можно начать с обычных первоначальных проверок любого электроблока. Маленькое отступление и совет: убедитесь в точности своей диагностики. Если вы неуверены в правильности своих выводов по поводу неисправности того или иного блока – просто замените его на заведомо исправный. Если замена устранила дефект или сделала работоспособной систему, значит, вы не ошиблись и можете смело приступать к ремонту заменяемого блока. Для этого проверяются все предохранители и диодные переходы. Проверка обмоток трансформатора тоже будет не лишней. Запомните одно, и это, главное. Даже если вы не имеете понятия о процессах, происходящих, в радиоэлементах под воздействием разного тока, научитесь просто читать электрическую схему и по ней измерять и сравнивать нужные напряжения и делать логические выводы. Это как разгадывание кроссворда – занимательно и интересно.

Неисправности импульсных блоков питания на 12 вольт

Сложность замены любого импульсного блока питания на 12 В заключается в поиске нужной модели, а они очень многообразны. Поэтому найти такой блок с нужным выходным напряжением и силой тока не всегда представляется возможным, если он быстро понадобился. Иногда проще, при незначительной поломке, восстановить его работоспособность самому. Вот некоторые советы для этого:

  • Если полностью пропало выходное напряжение нужно вскрыть корпус и проверить электролитический конденсатор со средней ёмкостью до 70 мкФ. При выходе его из строя он обычно вспучивается, хотя дополнительно можно проверить и мультиметром.
  • Также проверяется предохранитель и выпрямительный мост, который часто выходит из строя при сетевых перегрузках.
  • После замены неисправных радиодеталей проверьте соседние, которые могли пострадать от большого выхода энергии сгоревших деталей.

Надеемся, эта статья дала общее представление об устройстве импульсных блоков питания. А, возможно, даже и заинтересовала многих начинающих радиолюбителей, которые хотят повысить свои профессиональные навыки.

Импульсные блоки питания

Блоки питания (БП) предназначены для реализации вторичной мощности в электрических цепях, а также для преобразования напряжения до необходимых значений. Элементы могут быть встроены в оборудование или подключаться самостоятельным звеном.

Виды блоков питания

Существует два принципа преобразования электроэнергии в устройствах: на основе аналогового трансформатора и на импульсных блоках питания (ИБП).

Трансформаторные БП. Особенность блоков питания такого типа заключается в использовании силового трансформатора для изменения напряжения в сети. Устройства понижают амплитуду синусоидальной гармоники и направляют ее в выпрямитель, состоящий из силовых диодов. Сглаживание происходит за счет параллельно подключенной емкости. Окончательная стабилизация питающего напряжения осуществляется в полупроводниковой схеме с резисторами.

Трансформаторные преобразователи до недавнего времени были единственными в своем роде, но имели недостатки:

  • большой вес и крупные габариты;
  • высокую стоимость, зачастую многократно превосходящую цену остальных компонентов сети.

Импульсные БП. В конструкции устройства нет понижающего трансформатора. Почти во всей современной аппаратуре установлены именно импульсные блоки питания как наиболее компактные и эффективные.

Преимущества и недостатки импульсных блоков питания

Основные преимущества ИБП:

  • Малый вес и компактные размеры. Уменьшение габаритов устройств обусловлено переходом от использования тяжелых силовых трансформаторов. В ИБП нет линейных управляющих систем, которые требуют установки больших охлаждающих радиаторов. Повышение частоты обрабатываемых сигналов также позволило уменьшить размеры конденсаторов.
  • Высокий КПД. Низкочастотные трансформаторы характеризуются значительными потерями энергии в виде тепла, которое образуется в результате электромагнитных преобразований. В ИБП максимальные потери происходят в каскаде силовых ключей во время переходных процессов, а все остальное время транзисторы устойчивы. Потери энергии сведены к минимуму. КПД устройств достигает 98 %.
  • Широкий диапазон входных напряжений. Область применения устройств значительно расширена. Импульсные технологии позволяют использовать блоки питания в сетях с различными стандартами электроэнергии.
  • Встроенные системы защиты. Большинство моделей имеют автоматическую защиту от токов короткого кроткого замыкания, системы аварийного отключения нагрузок и т. д. Защитные устройства надежно встраиваются в конструкцию блоков благодаря применению миниатюрных цифровых полупроводниковых модулей.
  • Доступная стоимость. Элементная база ИБП постоянно унифицируется. Снижается стоимость на основные компоненты устройств, которые выпускаются серийно на автоматических станках. Дополнительное сокращение затрат достигается за счет использования менее мощных полупроводников.

Недостатками ИБП являются:

  • Ограничения по мощности. Существуют противопоказания, как при высоких, так и при низких нагрузках. Если в выходной цепи ток упадет ниже критического значения, то блок начинает генерировать напряжение с искаженными характеристиками, либо полностью отказывает схема запуска.
  • Наличие высокочастотных помех. Блоки вырабатывают их в любом исполнении. Высокочастотные помехи транслируются в окружающую среду, поэтому необходимо дополнительно решать вопрос об их подавлении. В некоторых видах чувствительной цифровой аппаратуры использование ИБП по этой причине невозможно.

Принцип работы импульсного источника питания

Устройство работает по принципу инвертора. Сначала переменное напряжение в блоке преобразуется в постоянное, а затем снова в переменное, но уже с необходимой частотой.

Схематически устройство можно представить как совокупность трех цепей:

  • ШИМ-контроллера, который регулирует преобразование широтно-импульсной модуляции;
  • каскада силовых ключей, подключенных по мостовой, полумостовой схеме или по схеме со средней точкой;
  • импульсного трансформатора.

Взаимодействие элементов импульсного БП происходит по следующей схеме:

  • напряжение 220В поступает на выпрямитель. Амплитуда сглаживается за счет работы конденсаторов емкостного фильтра;
  • проходящие синусоиды выпрямляются диодным мостом;
  • транзисторная схема преобразует ток в импульсы прямоугольной формы и высокой частоты.

Преобразование синусоид в импульсы может выполняться с гальваническим отделением питающей сети от выходных сетей или без нее.

Виды импульсных блоков питания

С гальванической развязкой. Высокочастотные сигналы поступают на трансформатор, ответственный за гальваническую развязку цепей. Устройства такого типа имеют более компактный магнитопровод и характеризуются повышенной эффективностью использования. Чаще всего сердечник трансформатора изготавливают из ферромагнетиков, а не из электротехнических сталей, что также позволяет уменьшить размеры элементов.

Без гальванической развязки. В схеме импульсного БП отсутствует высокочастотный разделительный трансформатор. Питающий сигнал поступает на фильтр нижних частот.

Принципиальная схема импульсного блока питания

Основные элементы импульсных блоков питания:

  • сетевой выпрямитель;
  • накопительная фильтрующая емкость;
  • силовой транзистор;
  • генератор;
  • транзисторная схема обратной связи;
  • оптопара;
  • импульсный источник питания;
  • выходной диодный выпрямитель;
  • цепи управления выходного напряжения;
  • фильтрующие конденсаторы;
  • дроссели, предназначенные для диагностики и коррекции напряжения;
  • выходные разъемы.

Если в устройстве используется преобразователь постоянного напряжения, то первые два компонента становятся не нужными. Сигнал проходит непосредственно на ШИМ (широтно-импульсный модулятор). Этот элемент является самым сложным в конструкции ИБП. Его основные функции:

  • генерация импульсов высокой частоты;
  • контроль и коррекция частотной последовательности с учетом данных обратной связи;
  • защита от перегрузок.

С ШИМ-модуля сигнал поступает на ключевые транзисторы. Их силовые выводы нагружены на первичную обмотку высокочастотного трансформатора. В конструкции ИБП вместо обычных биполярных транзисторов используют элементы MOSFET или IGBT, которые характеризуются минимальным падением напряжения и быстродействием.

Со вторичной обмотки импульсного трансформатора (таких элементов может быть несколько в цепи) напряжение подается на выходные диоды с повышенной рабочей частотой. Чаще всего в конструкциях используют диоды Шоттки.

Функция выходного фильтра – уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения.

Сферы применения импульсных блоков питания

Малогабаритные ИБП на интегральных микросхемах применяются в конструкции зарядных устройств для электронных гаджетов: планшетов, телефонов, электронных книг. Элементы такого типа востребованы также в производстве телевизоров, усилителей, медицинских приборов, низковольтных осветительных установок.

Выбирайте и заказывайте блоки питания в каталоге компании «ПРОМАИР». Мы предлагаем широкий модельный ряд, выгодные цены, предоставляем грамотные консультации по характеристикам устройств. Для связи со специалистами позвоните по телефонам +375 (17) 513-99-92 или +375 (17) 513-99-93.

Регулируемый блок питания для начинающих. 30 В 5 А

Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня посмотрим на регулируемый импульсный блок питания. Простой и дешевый вариант.

Я три года назад делал простенький регулируемый БП, но запросы растут, мне понадобился БП мощнее для тестов фар и усилителей. Так как я не электронщик, навороченный и мощный БП мне не нужен (даже по п18) и я выбрал самый простой вариант.
Что же нам обещает фирма wanptek:
  • 1 канал (только плюсовое напряжение)
  • 30 В и 5 А (есть версия на 10 А)
  • грубая и точная настройка напряжения и тока
  • Стабилизация напряжения, ограничение тока
  • Защиты от КЗ и перегрева.

Посылка

Доставка ТК


Коробка из плотного картона:

Характеристики на коробке:

Внутри мягкие вставки что бы БП не болтался по коробке:

Комплектация:

Сам регулируемый БП, инструкция на английском, сетевой кабель (1,3 м) и выходной кабель с «крокодилами».
Выходной кабель 2х1 кв мм. изоляция на 300 В длина 80 см. Сетевой кабель приличного качества, 3х0,75 кв. мм. евровилка с заземлением, а с другой стороны разъем: я такие разъемы называю «компьютерные».

Инструкция:



Технические характеристики:
Входное напряжение: AC 110 В,60 Гц или 220 В, 50 Гц
Выходное напряжение: 0 ~ 30 В
Выходной ток: 0 ~ 5 А
Шаг регулировки напряжения: 0.1 В
Регулировка тока: 0.01 A
Пульсации напряжения: Vpp≤1%
Стабильность напряжения: CV≤1%+10mV
Температурный дрейф: 3000 PPM
Разрядность дисплея: 3
Ripple Noise: ≤0.5 мВ
Точность отображения напряжения: ±1% + 1 знак
Точность отображения тока: ±1% + 2 знака
Рабочая температура: -10~45℃ влажность ≤90%
Температура хранения: -20~60℃ влажность ≤80%
Размеры: 80 * 230 * 165 см
Масса: примерно 1449 г

Масса:

Внешний вид:

Не хватает ручки для переноски сверху. Клавиша включения и выходные клеммы спереди внизу.
Сзади:

Прорези для вентилятора, бесполезный в наших реалиях переключатель 110 В/200 В и сетевое гнездо, оснащенное предохранителем на 250 В 2 А.
Управление простое и логичное:

Поворотные ручки — резисторы. Все логично: слева ток — грубо и точно, справа напряжение.
Можно установить лимиты по току, нужно замкнуть выходы БП (при напряжении <10 В), ждем мигания индикатора СС, вращая рукоятку тока, выставляем лимит.
Снизу:

Резиновые ножки. Они кстати оставляют следы.
Экран:

Вот тут небольшая печаль — всего три разряда. Индикаторы показывают режимы постоянного тока/ напряжения.

Всегда интересно что у таких приборов внутри.
Разборка:
Снимаем крышку открутив 8 винтов:

Она металлическая, как и остальной корпус кроме передней панели. Аккуратно покрашена порошковой краской.
Внутренняя компоновка:

Силовая плата стоит вертикально.
С другой стороны пластина радиатор:

Толщина 3 мм.
Силовая плата:

Виден входной и выходной фильтры. Входные конденсаторы на 250 В, выходные (один не допаяли!) 35 В 1000 мкф.
На радиаторе висят пару полевиков 2SK3569, диод в таком же корпусе TO220 и термистор, что бы подключать вентилятор, когда нагреется радиатор.
Выходные шунты:

Плата управления и индикации:

Самая заметная большая TM1638 управляет индикаторами, замечен так же микроконтроллер STM8S003F3. ШИМ контроллер на TL494.
Вентилятор:

Работает тихо.
Маркировка вентилятора:

Тестирование:
У меня нет специального образования по электрическим делам, тестировать буду на бытовом уровне.
Точность отображения тока:



Точность отображения напряжения:



Особо быстрой регулировку не назовешь, но значения держит цепко.
Пульсации холостой ход:


Броски при включении:

и выключении:

Тестирование на максимальную мощность:
На работе нашлась подходящая нагрузка — 200 метров монтажного провода 0,75 мм2. Сопротивление около 6 Ом, изоляция хорошо держит температуру.


Номинальный ток:


Половина мощности:


Проверим КПД на максимальной мощности:

От сети потребляет 223*0,68=151,64 Вт, выдает 28,7*4,99=143,213 Вт КПД=94%

Аксакалы в электронике конечно найдут в нем кучу недостатков, но надо учитывать небольшую цену и ориентированность на новичков.
Я как мог рассказал о приборе, и считаю, что для домашнего использования новичкам этот БП подойдет.

Есть купон JE119, делает цену 45.99$, работает до 28 февраля.

Спасибо за просмотр! Удачных конструкций.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1.

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!

Далее

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

 

cxema.org — Самый простой импульсный блок питания

Представляю самый простой миниатюрный импульсный блок питания, который может быть успешно повторён начинающим радиолюбителем. Он отличается надежностью, работает в широком диапазоне питающих напряжений, имеет компактные размеры.

Блок питания обладает относительно небольшой мощностью, в пределах 2-х ватт, зато он буквально неубиваемый, не боится даже долговремнных коротких замыканий.

Схема проще даже самых простых импульсных источников питания, к которым относятся зарядные устройства для мобильных телефонов.

Блок питания представляет собой  маломощный импульсный источник питания автогенераторного типа, собранный всего на одном транзисторе. Автогенератор запитывается от сети через токоограничительный резистор R1 и однополупериодный выпрямитель в виде диода VD1.

Импульсный трансформатор имеет три обмотки, коллекторная или первичная, базовая обмотка и вторичная.

Важным моментом является намотка трансформатора, и на печатной плате и на схеме указаны начала обмоток, так что проблем возникнуть не должно. Расчетов не делал, а количество витков обмоток позаимствованы от трансформатора для зарядки сотовых телефонов, так как схематика почти та же, количество обмоток тоже. Первой мотается первичная обмотка, которая состоит из 200 витков, диаметр провода от 0,08 до 0,1 мм, затем ставиться изоляция и таким же проводом мотается базовая обмотка, которая содержит от 5 до 10 витков. Поверх мотаем выходную обмотку, количество ее витков зависит от того, какое напряжение вам нужно, по моим скромным подсчетам получается около 1 вольта на один виток.

Сердечник для трансформатора можно найти в нерабочих блоках питания от мобильных телефонов, светодиодных драйверов и прочих маломощных источников питания, которые как правило построены именно на базе однотактных схем, в состав которых входит нужный трансформатор.

Один момент — блок однотактный и между половинками сердечника должен быть немагнитный зазор, такой зазор имеется у сердечников с зарядных устройств сотовых телефонов. Зазор относительно небольшой (пол миллиметра хватит сполна). Если не находите трансформаторов с зазором, его можно сделать искусственным образом, подложив между половинками сердечника один слой офисной бумаги.

Готовый трансформатор собирают обратно, половинки сердечника стягиваются скажем скотчем либо намертво склеиваются суперклеем.

Схема не имеет стабилизации выходного напряжения и узлов защиты от коротких замыканий, но как не странно  ей не страшны никакие короткие замыкания. При коротких замыканиях естественно повышается ток в первичной цепи, но он ограничивается ранее упомянутым резистором, и все лишнее рассеивается на резисторе в виде тепла, так что блок можно смело замыкать, даже долговременно. Такое решение снижает КПД источника питания в целом, но зато делает его буквально неубиваемым, в отличии от тех же самых зарядок для мобильных телефонов.

Резистор указанного номинала ограничивает входной ток на уровне 14, 5 мА, по закону ома, зная напряжение в сети легко можно рассчитать мощность, которая составляет в районе 3,3 ватт, это мощность на входе, с учетом кпд преобразователя выходная мощность будет процентов на 20-30 меньше этого. Увеличить мощность можно, для этого достаточно снизить сопротивление указанного резистора.

Силовой транзистор — это маломощный высоковольтный биполярный транзистор обратной проводимости, подойдут ключи типа MJE13001, 13003, 13005, более мощные ставить нет смысла, первого варианта вполне хватает.

На выходе схемы установлен выпрямитель на базе импульсного диода, для снижения потерь советую использовать диод шоттки, рассчитанный на ток 1А. Далее фильтрующий конденсатор, светодиодный индикатор включения и пара резисторов.

О недостатках схемы:

  • Ограничительный резистор на входе снижает кпд, не на много, но снижает, взамен он гарантирует безопасную работу блока;
  • Ограниченная выходная мощности —  для того, чтобы на этой основе построить блок питания скажем ватт на 10-20, нужно снизит его сопротивление и увеличит мощност, чтобы нагрев не выходил за рамки, а это неудобно и увеличивает размеры блока питания в целом.

Но с другой стороны, схожие схемы применяются там, где нужна мощность в пределах 3-5 ватт, например в моем случае блок предназначен для питания небольшого кулера, поэтому мощность ограничена в пределах 2-х ватт.

Области применения — их очень много, так, как блок имеет гальваническую развязку от сети, следовательно, он безопасен и его выходное напряжение никак не связано с сетью. Отличный вариант для запитки светодиодов, вентиляторов охлаждения, питания каких-то маломощных схем и многое другое.

Печатная плата тут 

Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике / Блог компании Дата-центр «Миран» / Хабр


Блок питания извлечён из корпуса. Пучок проводов слева подключается к компьютеру. Большой компонент посередине типа трансформатора — это фильтрующий индуктор. Кликабельно, как и все фотографии в статье

Вы когда-нибудь задумывались, что находится внутри блока питания (БП) вашего компьютера? Задача БП — преобразовать питание из сети (120 или 240 В переменного тока, AC) в стабильное питание постоянного, то есть однонаправленного тока (DC), который нужен вашему компьютеру. БП должен быть компактным и дешёвым, при этом эффективно и безопасно преобразовывать ток. Для этих целей при изготовлении используются различные методы, а сами БП внутри устроены гораздо сложнее, чем вы думаете.

В этой статье мы разберём блок стандарта ATX и объясним, как он работает1.

Как и в большинстве современных БП, в нашем используется конструкция, известная как «импульсный блок питания» (ИБП). Это сейчас они очень дёшевы, но так было не всегда. В 1950-е годы сложные и дорогие ИБП использовались разве что в ракетах и космических спутниках с критическими требованиями к размеру и весу. Однако к началу 1970-х новые высоковольтные транзисторы и другие технологические усовершенствования значительно удешевили ИБП, так что их стали широко использовать в компьютерах. Сегодня вы можете за несколько долларов купить зарядное устройство для телефона с ИБП внутри.

Наш ИБП формата ATX упакован в металлический корпус размером с кирпич, из которого выходит множество разноцветных кабелей. Внутри корпуса мы видим плотно упакованные компоненты. Инженеры-конструкторы явно были озабочены проблемой компактности устройства. Многие компоненты накрыты радиаторами. Они охлаждают силовые полупроводники. То же самое для всего БП делает встроенный вентилятор. На КДПВ он справа.

Начнём с краткого обзора, как работает ИБП, а затем подробно опишем компоненты. Своеобразный «конвейер» на фотографии организован справа налево. Справа ИБП получает переменный ток. Входной переменный ток преобразуется в высоковольтный постоянный ток с помощью нескольких крупных фильтрующих компонентов. Этот постоянный ток включается и выключается тысячи раз в секунду для генерации импульсов, которые подаются в трансформатор. Тот преобразует высоковольтные импульсы в сильноточные низковольтные. Эти импульсы преобразуются в постоянный ток и фильтруются, чтобы обеспечить хорошее, чистое питание. Оно подаётся на материнскую плату, накопители и дисководы через кабели на фотографии слева.

Хотя процесс может показаться чрезмерно сложным, но большинство бытовой электроники от мобильника до телевизора на самом деле питаются через ИБП. Высокочастотный ток позволяет сделать маленький, лёгкий трансформатор. Кроме того, импульсные БП очень эффективны. Импульсы настраиваются таким образом, чтобы обеспечить только необходимую мощность, а не превращать избыточную мощность в отработанное тепло, как в линейном БП.

Первым делом входной переменный ток проходит через цепь входного фильтра, которая фильтрует электрический шум, то есть беспорядочные изменения электрического тока, ухудшающие качество сигнала.

Фильтр ниже состоит из индукторов (тороидальных катушек) и конденсаторов. Квадратные серые конденсаторы — специальные компоненты класса X для безопасного подключения к линиям переменного тока.


Компоненты входного фильтра

Переменный ток с частотой 60 герц в сети меняет своё направление 60 раз в секунду (AC), но компьютеру нужен постоянный ток в одном направлении (DC).

Полномостовой выпрямитель

на фотографии ниже преобразует переменный ток в постоянный. Выходы постоянного тока на выпрямителе отмечены знаками

?

и

+

, а переменный ток входит через два центральных контакта, которые

постоянно меняют свою полярность

. Внутри выпрямителя — четыре диода. Диод позволяет току проходить в одном направлении и блокирует его в другом направлении, поэтому в результате переменный ток преобразуется в постоянный ток, протекающий в нужном направлении.


На мостовом выпрямителе видна маркировка GBU606. Цепь фильтра находится слева от выпрямителя. Большой чёрный конденсатор справа — один из удвоителей напряжения. Маленький жёлтый конденсатор — это специальный керамический Y-конденсатор, который защищает от всплесков напряжения

Ниже — две схемы, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме у верхнего входа переменного тока положительная полярность. Диоды пропускают поток на выход DC. На второй схеме входы переменного тока поменяли полярность, как это происходит постоянно в AC. Однако конфигурация диодов гарантирует, что выходной ток остаётся неизменным (плюс всегда сверху). Конденсаторы сглаживают выход.


На двух схемах показан поток тока при колебаниях входного сигнала AC. Четыре диода заставляют ток течь в направлении по стрелке

Современные БП принимают «универсальное» входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому могут использоваться в разных странах независимо от напряжения в местной сети. Однако схема этого старого БП не могла справиться с таким широким диапазоном. Поэтому предусмотрен переключатель для выбора 115 или 230 В.


Переключатель 115/230 В

Переключатель использует умную схему с удвоителем напряжения. Идея в том, что при закрытом переключателе (на 115 В) вход AC обходит два нижних диода в мостовом выпрямителе, а вместо этого подключается непосредственно к двум конденсаторам. Когда «плюс» на верхнем входе AC, полное напряжение получает верхний конденсатор. А когда «плюс» снизу, то нижний. Поскольку выход DC идёт с обоих конденсаторов, на выходе всегда получается двойное напряжение. Дело в том, что остальная часть БП получает одинаковое напряжение независимо от того, на входе 115 или 230 В, что упрощает его конструкцию. Недостаток удвоителя в том, что пользователь обязан установить переключатель в правильное положение, иначе рискует повредить БП, а для самого БП требуются два больших конденсатора. Поэтому в современных БП удвоитель напряжения вышел из моды.


Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор получает полный вольтаж, поэтому на выходе DC двойное напряжение. Серые диоды не используются в работе удвоителя

В целях безопасности высоковольтные и низковольтные компоненты разделены механически и электрически, см. фотографию ниже. На основной стороне находятся все цепи, которые подключаются к сети AC. На вторичной стороне — низковольтные цепи. Две стороны разделены «пограничной изоляцией», которая отмечена зелёным пунктиром на фотографии. Через границу не проходит

никаких

электрических соединений. Трансформаторы пропускают энергию через эту границу через магнитные поля без прямого электрического соединения. Сигналы обратной связи передаются на основную сторону с помощью оптоизоляторов, то есть световыми импульсами. Это разделение является ключевым фактором в безопасной конструкции: прямое электрическое соединение между линией AC и выходом БП создаёт опасность удара электрическим током.


Источник питания с маркировкой основных элементов. Радиаторы, конденсаторы, плата управления и выходные кабели удалены ради лучшего обзора (SB означает источник резервного питания, standby supply)

К этому моменту входной переменный ток преобразован в высоковольтный постоянный ток около 320 В

2

. Постоянный ток нарезается на импульсы переключающим (импульсным) транзистором (

switching transistor

на схеме выше). Это силовой МОП-транзистор (MOSFET)

3

. Поскольку во время использования он нагревается, то установлен на большом радиаторе. Импульсы подаются в главный трансформатор, который в некотором смысле является сердцем БП.

Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение. Так ИБП безопасно вырабатывает выходной ток: между двумя сторонами трансформатора нет электрического соединения, только соединение через магнитное поле. Другим важным аспектом является то, что в первичной обмотке много оборотов проволоки вокруг сердечника, а на вторичных контурах гораздо меньше. В результате получается понижающий трансформатор: выходное напряжение намного меньше входного, но при гораздо большем вольтаже.

Переключающий транзистор3 управляется интегральной схемой под названием «ШИМ-контроллер режима тока UC3842B». Этот чип можно считать мозгом БП. Он генерирует импульсы на высокой частоте 250 килогерц. Ширина каждого импульса регулируется для обеспечения необходимого выходного напряжения: если напряжение начинает падать, чип производит более широкие импульсы, чтобы пропускать больше энергии через трансформатор4.

Теперь можно посмотреть на вторую, низковольтную часть БП. Вторичная схема производит четыре выходных напряжения: 5, 12, ?12 и 3,3 вольта. Для каждого выходного напряжения отдельная обмотка трансформатора и отдельная схема для получения этого тока. Силовые диоды (ниже) преобразуют выходы трансформатора в постоянный ток. Затем индукторы и конденсаторы фильтруют выход от всплесков напряжения. БП должен регулировать выходное напряжение, чтобы поддерживать его на должном уровне даже при увеличении или уменьшении нагрузки. Интересно, что в БП используется несколько различных методов регулирования.


Крупным планом показаны выходные диоды. Слева вертикально установлены цилиндрические диоды. В центре — пары прямоугольных силовых диодов Шоттки, в каждом корпусе по два диода. Эти диоды прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб. Они используются в качестве резисторов для измерения тока

Основными являются выходы 5 и 12 В. Они регулируются одной микросхемой контроллера на основной стороне. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов, пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной стороне БП. А если напряжение слишком высокое, чип уменьшает ширину импульса. Примечание: одна и та же схема обратной связи управляет выходами на 5 и 12 В, поэтому нагрузка на одном выходе может изменять напряжение на другом. В более качественных БП два выхода регулируются по отдельности5.


Нижняя сторона печатной платы. Обратите внимание на большое расстояние между цепями основной и вторичной сторон БП. Также обратите внимание, какие широкие металлические дорожки на основной стороне БП для тока высокого напряжения и какие тонкие дорожки для схем управления

Вы можете задать вопрос, как микросхема контроллера на основной стороне получает обратную связь об уровнях напряжения на вторичной стороне, поскольку между ними нет электрического соединения (на фотографии виден широкий зазор). Трюк в использовании хитроумной микросхемы под названием оптоизолятор. Внутри чипа на одной стороне чипа инфракрасный светодиод, на другой светочувствительный фототранзистор. Сигнал обратной связи подаётся на LED и детектируется фототранзистором на другой стороне. Таким образом оптоизолятор обеспечивает мост между вторичной и первичной сторонами, передавая информацию светом, а не электричеством6.

Источник питания также обеспечивает отрицательное выходное напряжение (?12 В). Это напряжение в основном устарело, но использовалось для питания последовательных портов и слотов PCI. Регулирование питания ?12 В кардинально отличается от регулирования +5 и +12 В. Выход ?12 В управляется стабилитроном (диодом Зенера) — это специальный тип диода, который блокирует обратный ток до определённого уровня напряжения, а затем начинает проводить его. Избыточное напряжение рассеивается в виде тепла через силовой резистор (розовый) под управлением транзистора и стабилитрона (поскольку этот подход расходует энергию впустую, современные высокоэффективные БП не используют такой метод регулирования).


Питание ?12 В регулируется крошечным стабилитроном ZD6 длиной около 3,6 мм на нижней стороне печатной платы. Соответствующий силовой резистор и транзистор A1015 находятся на верхней стороне платы

Пожалуй, наиболее интересной схемой регулирования является выход 3,3 В, который регулируется магнитным усилителем. Магнитный усилитель — это индуктор с особыми магнитными свойствами, которые заставляют его работать как ключ (переключатель). Когда ток подаётся в индуктор магнитного усилителя, то сначала он почти полностью блокирует ток, поскольку индуктор намагничивается и магнитное поле увеличивается. Когда индуктор достигает полной намагниченности (то есть насыщается), его поведение внезапно меняется — и индуктор позволяет частицам течь беспрепятственно. Магнитный усилитель в БП получает импульсы от трансформатора. Индуктор блокирует переменную часть импульса. Выход 3,3 В регулируется изменением ширины импульса7.


Магнитный усилитель представляет собой кольцо из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. Вокруг кольца намотано несколько витков проволоки

В блоке питания есть небольшая плата, на которой размещена схема управления. Эта плата сравнивает напряжение с эталонным, чтобы генерировать сигналы обратной связи. Она отслеживает вольтаж также для того, чтобы генерировать сигнал «питание в норме» (power good). Схема установлена на отдельной перпендикулярной плате, поэтому не занимает много места в БП.


Основные компоненты установлены на верхней стороне платы со сквозными отверстиями, а нижняя сторона покрыта крошечными SMD-компонентами, которые нанесены путём поверхностного монтажа. Обратите внимание на резисторы с нулевым сопротивлением в качестве перемычек

В БП есть ещё вторая цепь — для резервного питания

9

. Даже когда компьютер формально «выключен», пятивольтовый источник резервного питания обеспечивает ему мощность 10 Вт для функций, которые продолжают работать: часы реального времени, функция пробуждения по локальной сети и др. Цепь резервного питания является почти независимым БП: она использует отдельную управляющую микросхему, отдельный трансформатор и отдельные компоненты на вторичной стороне DC, но те же самые компоненты на основной стороне AC. Эта система гораздо меньшей мощности, поэтому в цепи трансформатор меньшего размера.


Чёрно-жёлтые трансформаторы: трансформатор для резервного питания находится слева, а основной трансформатор — справа. Перед ним установлена микросхема для управления резервным питанием. Большой цилиндрический конденсатор справа — компонент удвоителя напряжения. Белые капли — это силикон, который изолирует компоненты и удерживает их на месте

Блок питания ATX сложно устроен внутри, с множеством компонентов, от массивных индукторов и конденсаторов до крошечных компонентов поверхностного монтажа

10

. Однако эта сложность позволяет выпускать эффективные, маленькие и безопасные БП. Для сравнения, я когда-то писал о

блоке питания 1940-х годов

, который выдавал всего 85 ватт мощности, но был размером с чемодан, весил 50 кг и стоил сумасшедшие деньги. В наше время с продвинутыми полупроводниками делают гораздо более мощные БП дешевле 50 долларов, и такое устройство поместится у вас в руке.


Блок питания REC-30 для телетайпа Model 19 (ВМФ США) 1940-х годов

Я уже писал о БП, включая историю блоков питания в IEEE Spectrum. Вам также могут понравиться детальные разборы зарядного устройства Macbook и зарядного устройства iPhone.


1

Intel представила стандарт ATX для персональных компьютеров в 1995 году. Стандарт ATX (с некоторыми обновлениями) по-прежнему определяет конфигурацию материнской платы, корпуса и блока питания большинства настольных компьютеров. Здесь мы изучаем блок питания 2005 года, а современные БП более продвинутые и эффективные. Основные принципы те же, но есть некоторые изменения. Например, вместо магнитных усилителей почти везде используют преобразователи DC/DC.


Этикетка на блоке питания

На этикетке БП указано, что он изготовлен компанией Bestec для настольного компьютера Hewlett-Packard Dx5150. Этот БП слегка не соответствует формату ATX, он более вытянут в длину. [вернуться]

2 Вы можете задать вопрос, почему AC напряжением 230 В преобразуется в постоянный ток 320 В. Причина в том, что напряжение переменного тока обычно измеряется как среднеквадратичное, которое в каком-то смысле усредняет изменяющуюся форму волны. По факту в 230-вольтовом сигнале AC есть пики до 320 вольт. Конденсаторы БП заряжаются через диоды до пикового напряжения, поэтому постоянный ток составляет примерно 320 вольт (хотя немного провисает в течение цикла). [вернуться]

3 Силовой транзистор представляет собой силовой МОП-транзистор FQA9N90C. Он выдерживает 9 ампер и 900 вольт. [вернуться]

4 Интегральная схема питается от отдельной обмотки на трансформаторе, которая выдаёт 34 вольта для её работы. Налицо проблема курицы и яйца: управляющая микросхема создаёт импульсы для трансформатора, но трансформатор питает управляющую микросхему. Решение — специальная цепь запуска с резистором 100 kΩ между микросхемой и высоковольтным током. Она обеспечивает небольшой ток для запуска микросхемы. Как только чип начинает отправлять импульсы на трансформатор, то питается уже от него. [вернуться]

5 Метод использования одного контура регулирования для двух выходов называется перекрёстным регулированием. Если нагрузка на одном выходе намного выше другого, напряжения могут отклоняться от своих значений. Поэтому во многих БП есть минимальные требования к нагрузке на каждом выходе. Более продвинутые БП используют DC/DC преобразователи для всех выходов, чтобы контролировать точность напряжения. Дополнительные сведения о перекрёстном регулировании см. в этих двух презентациях. Один из обсуждаемых методов — многоуровневая укладка выходных обмоток, как в нашем БП. В частности, 12-вольтовый выход реализован в виде 7-вольтового выхода поверх 5-вольтового выхода, что даёт 12 вольт. При такой конфигурации ошибка 10% (например) в 12-вольтовой цепи будет составлять всего 0,7 В, а не 1,2 В. [вернуться]

6 Оптоизоляторы представляют собой компоненты PC817, которые обеспечивают 5000 вольт изоляции между сторонами БП (то есть между высокой и низкой сторонами). Обратите внимание на прорезь в печатной плате под оптоизоляторами. Это дополнительная мера безопасности: она гарантирует, что ток высокого напряжения не пройдёт между двумя сторонами оптоизолятора вдоль поверхности печатной платы, например, при наличии загрязнения или конденсата (в частности, прорезь увеличивает расстояние утечки). [вернуться]

7 Ширина импульса через магнитный усилитель устанавливается простой схемой управления. В обратной части каждого импульса индуктор частично размагничивается. Схема управления регулирует напряжение размагничивания. Более высокий вольтаж усиливает размагничивание. Тогда индуктору требуется больше времени для повторного намагничивания, и, таким образом, он дольше блокирует входной импульс. При более коротком импульсе в цепи выходное напряжение уменьшается. И наоборот, более низкое напряжение размагничивания приводит к меньшему размагничиванию, поэтому входной импульс блокируется не так долго. В итоге выходное напряжение регулируется изменением напряжения размагничивания. Обратите внимание, что ширина импульса в магнитном усилителе регулируется управляющей микросхемой. Магнитный усилитель сокращает эти импульсы по мере необходимости при регулировании выходного напряжения 3,3 В. [вернуться]

8 Плата управления содержит несколько микросхем, включая операционный усилитель LM358NA, чип супервизора/сброса TPS3510P, четырёхканальный дифференциальный компаратор LM339N и прецизионный эталон AZ431. Чип супервизора интересный — он специально разработан для БП и контролирует выходное напряжение, чтобы оно было не слишком высоким и не слишком низким. Прецизионный эталон AZ431 — это вариант эталонного чипа TL431, который часто используется в БП для обеспечения опорного (контрольного) напряжения. Я уже писал о TL431. [вернуться]

9 Источник резервного питания использует другую конфигурацию — обратноходовой трансформатор. Здесь установлена управляющая микросхема A6151 с переключающим транзистором, что упрощает конструкцию.


Схема БП с использованием A6151. Она взята из справочника, поэтому не идентична схеме нашего БП, хотя близка к ней
[вернуться]

10 Если хотите изучить подробные схемы различных БП формата ATX, рекомендую сайт Дэна Мельника. Удивительно, сколько существует реализаций БП: различные топологии (полумостовые или прямые), наличие или отсутствие преобразования коэффициента мощности (PFC), разнообразные системы управления, регулирования и мониторинга. Наш БП довольно похож на БП с прямой топологией без PFC, внизу той странички на сайте Дэна. [вернуться]



Основы питания

Детали блока питания

В идеале, блок питания постоянного тока (обычно называемый блоком питания), получающий питание от сети переменного тока, выполняет ряд задач:

  • 1. Он изменяет (в большинстве случаев снижает) уровень подачи до значения, подходящего для управления цепью нагрузки.
  • 2. Он вырабатывает постоянный ток от сети (или сети) синусоидального переменного тока.
  • 3. Предотвращает появление переменного тока на выходе источника питания.
  • 4. Это гарантирует, что выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне, независимо от изменений:
  • а. Напряжение питания переменного тока на входе питания.
  • г. Ток нагрузки, потребляемый с выхода источника питания.
  • г. Температура.

Для этого базовый блок питания имеет четыре основных этапа, показанных на рис. 1.0.1.

Рис. 1.0.1 Блок-схема источника питания

Источники питания

за последнее время значительно повысили надежность, но, поскольку они должны выдерживать значительно более высокие напряжения и токи, чем любая или большая часть питаемых ими схем, они часто наиболее подвержены отказу любой части электронной системы.

Современные источники питания также значительно усложнились и могут обеспечивать очень стабильные выходные напряжения, контролируемые системами обратной связи. Многие цепи питания также содержат автоматические цепи безопасности для предотвращения опасного перенапряжения или перегрузки по току.

Силовые модули на Learnabout-electronics поэтому знакомят с многими методами, используемыми в современных источниках питания, изучение которых важно для понимания электронных систем.

Предупреждение

Если вы планируете построить или отремонтировать источник питания, особенно тот, который питается от сети (линейного) напряжения, модули источника питания на этом сайте помогут вам понять, сколько часто встречающихся схем работает.Однако вы должны понимать, что напряжения и токи, присутствующие во многих источниках питания, в лучшем случае опасны и могут присутствовать даже при выключенном источнике питания! В худшем случае высокое напряжение, присутствующее в источниках питания, может, и время от времени, УБИТЬ.

Информация, представленная на этом сайте, не только предоставит вам квалификацию для безопасной работы с источниками питания. Вы также должны обладать навыками и оборудованием для безопасной работы и полностью осознавать местные проблемы здоровья и безопасности.

Пожалуйста, действуйте ответственно, автор этой информации и владельцы этого сайта не несут никакой ответственности или обязательств за любой ущерб или травмы, причиненные людям или любым третьим лицам, имуществу или оборудованию в результате использования или неправильного использования информации, представленной на веб-сайты learnabout-electronics.

Регулируемые блоки питания

Блок регулятора / стабилизатора

Последствия плохого регулирования

Эффект от плохого регулирования (или стабилизации) подачи можно увидеть на рис.1.3.1, где показаны графики изменения выходного напряжения ( В постоянного тока, ) при увеличении тока нагрузки (I) в различных версиях базового блока питания.

Обратите внимание, что выходное напряжение для двухполупериодных схем (красный и желтый) значительно выше, чем для полуволновых (зеленый и фиолетовый). Также обратите внимание на небольшое снижение напряжения при добавлении LC-фильтра из-за падения напряжения на катушке индуктивности. В каждом случае в базовой конструкции выходное напряжение падает почти линейно по мере увеличения тока, потребляемого от источника питания.В дополнение к этому эффекту дополнительный разряд накопительного конденсатора также вызывает увеличение амплитуды пульсаций.

Рис. 1.3.1 Сравнение кривых регулирования

Регулятор (стабилизатор)

Регулятор или стабилизатор?

Строго говоря, компенсация колебаний входного напряжения сети (линии) называется РЕГУЛИРОВАНИЕМ, а компенсация колебаний тока нагрузки — СТАБИЛИЗАЦИЕЙ. На практике вы обнаружите, что эти термины используются довольно свободно для описания компенсации обоих эффектов.Фактически большинство стабилизированных или регулируемых источников питания компенсируют колебания как на входе, так и на выходе, и поэтому являются (по крайней мере, до некоторой степени) стабилизированными и регулируемыми источниками питания.

Как и в большинстве современных случаев, термин «регулятор» будет использоваться здесь для описания как регулирования, так и стабилизации.

Эти проблемы можно в значительной степени преодолеть, включив на выходе источника питания каскад регулятора. Эффект от этой схемы можно увидеть на рис. 1.3.1. как черная линия на графике, где для любого тока примерно до 200 мА выходное напряжение (хотя и ниже абсолютного максимума, обеспечиваемого базовым источником питания) остается постоянным.

Регулятор противодействует влиянию переменного тока нагрузки, автоматически компенсируя снижение выходного напряжения по мере увеличения тока.

В регулируемых источниках питания также часто бывает, что выходное напряжение автоматически и внезапно снижается до нуля в качестве меры безопасности, если потребляемый ток превышает установленный предел. Это называется ограничением тока.

Регулирование требует дополнительных схем на выходе простого источника питания. Используемые схемы сильно различаются как по стоимости, так и по сложности.Используются две основные формы регулирования:

1. Шунтирующий регулятор.

2. Регулятор серии.

Эти два подхода сравниваются на Рис. 1.3.2 и Рис. 1.3.3

Шунтирующий регулятор

Рис. 1.3.2 Шунтирующий регулятор

В шунтирующем регуляторе (рис. 1.3.2) цепь включена параллельно нагрузке. Назначение регулятора — обеспечить постоянное стабильное напряжение на нагрузке; это достигается за счет обеспечения постоянного протекания тока через цепь регулятора.Если ток нагрузки увеличивается, тогда схема регулятора уменьшает свой ток, так что общий ток питания I T (состоящий из тока нагрузки I L плюс тока регулятора I S ) остается на том же значении. . Аналогично, если ток нагрузки уменьшается, то ток регулятора увеличивается, чтобы поддерживать постоянный общий ток I T . Если общий ток питания останется прежним, то изменится и напряжение питания.

Регулятор серии

Рис.1.3.2 Регулятор серии

В последовательном регуляторе (рис. 1.3.3) регулирующее устройство включено последовательно с нагрузкой. На регуляторе всегда будет падение напряжения. Это падение будет вычтено из напряжения питания, чтобы получить напряжение V L на нагрузке, которое представляет собой напряжение питания V T за вычетом падения напряжения регулятора V S . Следовательно:

V L = V T — V S

Регуляторы серии

обычно управляются выборкой напряжения нагрузки с использованием системы отрицательной обратной связи.Если напряжение нагрузки имеет тенденцию к падению, меньшая обратная связь заставляет управляющее устройство уменьшать свое сопротивление, позволяя большему току течь в нагрузку, таким образом увеличивая напряжение нагрузки до исходного значения. Увеличение напряжения нагрузки будет иметь обратный эффект. Как и шунтирующее регулирование, действие последовательного регулятора также компенсирует колебания напряжения питания.

Источники питания, схемы фильтров

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Опишите принцип действия емкостного конденсатора в базовых источниках питания.
  • • Резервуар-конденсатор действия.
  • • Влияние накопительного конденсатора на постоянную составляющую.
  • • Влияние накопительного конденсатора на ток диода.
  • Опишите принципы работы фильтра нижних частот, используемого в базовых источниках питания.
  • • Фильтры LC.
  • • RC-фильтры.

Компоненты фильтра

Типичную схему фильтра источника питания можно лучше всего понять, разделив схему на две части: накопительный конденсатор и фильтр нижних частот.Каждая из этих частей способствует удалению оставшихся импульсов переменного тока, но по-разному.

Резервуарный конденсатор

Рис. 1.2.1 Резервуарный конденсатор

На рис. 1.2.1 показан электролитический конденсатор, используемый в качестве накопительного конденсатора, названный так потому, что он действует как временный накопитель выходного тока источника питания. Выпрямительный диод подает ток для зарядки накопительного конденсатора в каждом цикле входной волны. Накопительный конденсатор — это большой электролитический конденсатор, обычно на несколько сотен или даже тысяч и более микрофарад, особенно в БП с сетевой частотой.Это очень большое значение емкости требуется, потому что накопительный конденсатор при зарядке должен обеспечивать достаточный постоянный ток для поддержания стабильного выхода блока питания в отсутствие входного тока; то есть во время промежутков между положительными полупериодами, когда выпрямитель не проводит ток.

Действие емкостного конденсатора на полуволновую выпрямленную синусоидальную волну показано на рис. 1.2.2. В течение каждого цикла анодное переменное напряжение выпрямителя увеличивается до Vpk. В некоторой точке, близкой к Vpk, анодное напряжение превышает катодное напряжение, выпрямитель проводит ток, и протекает импульс тока, заряжающий накопительный конденсатор до значения Vpk.

Рис. 1.2.2 Действие резервуарного конденсатора

Когда входная волна проходит через Vpk, напряжение на аноде выпрямителя падает ниже напряжения конденсатора, выпрямитель становится смещенным в обратном направлении, и проводимость прекращается. Цепь нагрузки теперь питается только от емкостного конденсатора (отсюда и необходимость в конденсаторе большой емкости).

Конечно, даже несмотря на то, что накопительный конденсатор имеет большое значение, он разряжается по мере того, как питает нагрузку, и его напряжение падает, но не очень сильно. В какой-то момент во время следующего цикла подключения к сети входное напряжение выпрямителя поднимается выше напряжения на частично разряженном конденсаторе, и резервуар снова заряжается до пикового значения Vpk.

Пульсация переменного тока

Величина разряда накопительного конденсатора в каждом полупериоде определяется током, потребляемым нагрузкой. Чем выше ток нагрузки, тем сильнее разряд, но при условии, что потребляемый ток не является чрезмерным, количество переменного тока, присутствующего на выходе, значительно уменьшается. Обычно размах амплитуды оставшегося переменного тока (называемого пульсацией, поскольку волны переменного тока теперь значительно уменьшены) не превышает 10% от выходного напряжения постоянного тока.

Выход постоянного тока выпрямителя без накопительного конденсатора равен 0.637 Впик для двухполупериодных выпрямителей или 0,317 Впик для однополупериодных. Добавление конденсатора увеличивает уровень постоянного тока выходной волны почти до пикового значения входной волны, как видно из рис. 1.1.9.

Чтобы получить наименьшие пульсации переменного тока и наивысший уровень постоянного тока, было бы разумно использовать максимально возможный резервуарный конденсатор. Однако есть загвоздка. Конденсатор обеспечивает ток нагрузки большую часть времени (когда диод не проводит). Этот ток частично разряжает конденсатор, поэтому вся энергия, используемая нагрузкой в ​​течение большей части цикла, должна быть восполнена за очень короткое оставшееся время, в течение которого диод проводит в каждом цикле.

Формула, связывающая заряд, время и ток, гласит, что:

Q = Оно

Заряд (Q) конденсатора зависит от величины тока (I), протекающего в течение времени (t).

Следовательно, чем короче время зарядки, тем больший ток должен подавать диод для его зарядки. Если конденсатор очень большой, его напряжение практически не будет падать между импульсами зарядки; это вызовет очень небольшую пульсацию, но потребует очень коротких импульсов гораздо более высокого тока для зарядки накопительного конденсатора.И входной трансформатор, и выпрямительные диоды должны обеспечивать этот ток. Это означает использование более высокого номинального тока для диодов и трансформатора, чем было бы необходимо для емкостного конденсатора меньшего размера.

Таким образом, есть преимущество в уменьшении емкости резервуарного конденсатора, что позволяет увеличить имеющуюся пульсацию, но это может быть эффективно устранено путем использования ступеней фильтра нижних частот и регулятора между резервуарным конденсатором и нагрузкой.

Это влияние увеличения размера резервуара на ток диода и трансформатора следует учитывать при любых операциях по обслуживанию; Замена накопительного конденсатора на конденсатор большей емкости, чем в исходной конструкции, «для уменьшения гула сети» может показаться хорошей идеей, но может привести к повреждению выпрямительного диода и / или трансформатора.

При двухполупериодном выпрямлении характеристики резервуарного конденсатора по устранению пульсаций переменного тока значительно лучше, чем с полуволновым, для резервуарного конденсатора того же размера пульсация составляет примерно половину амплитуды, чем в полуволновых источниках, потому что в двухполупериодных схемах периоды разряда короче, так как накопительный конденсатор заряжается с частотой, вдвое превышающей частоту полуволновой конструкции.

Фильтры нижних частот

Хотя пригодный к употреблению источник питания может быть изготовлен с использованием только резервуарного конденсатора для устранения пульсаций переменного тока, обычно необходимо также включить фильтр нижних частот и / или ступень регулятора после резервуарного конденсатора, чтобы удалить оставшиеся пульсации переменного тока и улучшить стабилизацию. выходного напряжения постоянного тока в условиях переменной нагрузки.

Рис. 1.2.3 LC-фильтр

Рис. 1.2.4 RC-фильтр

Фильтры нижних частот LC или RC могут использоваться для удаления пульсации, остающейся после накопительного конденсатора.LC-фильтр, показанный на рис. 1.2.3, более эффективен и дает лучшие результаты, чем RC-фильтр, показанный на рис. 1.2.4, но для базовых источников питания конструкции LC менее популярны, чем RC, поскольку катушки индуктивности, необходимые для фильтрации Для эффективной работы на частотах от 50 до 120 Гц необходимы большие и дорогие ламинированные или тороидальные сердечники. Однако в современных конструкциях, использующих импульсные источники питания, где любые пульсации переменного тока имеют гораздо более высокие частоты, можно использовать индукторы с ферритовым сердечником гораздо меньшего размера.

Фильтр нижних частот пропускает низкую частоту, в данном случае постоянный ток (0 Гц), и блокирует более высокие частоты, будь то 50 Гц или 120 Гц в базовых схемах или десятки кГц в схемах с переключением.

Реактивное сопротивление (X C ) конденсатора в любом из фильтров очень низкое по сравнению с сопротивлением резистора R или реактивным сопротивлением дросселя X L на частоте пульсаций. В RC-схемах сопротивление R должно быть довольно низким, так как через него должен проходить весь ток нагрузки, может быть, несколько ампер, выделяя значительное количество тепла. Поэтому типичное значение составляет 50 Ом или меньше, и даже при этом значении обычно необходимо использовать большой проволочный резистор.Это ограничивает эффективность фильтра, поскольку соотношение между сопротивлением R и реактивным сопротивлением конденсатора не будет больше примерно 25: 1. Тогда это будет типичный коэффициент уменьшения амплитуды пульсаций. При включении фильтра нижних частот на резисторе теряется некоторое напряжение, но этот недостаток компенсируется лучшими характеристиками пульсаций, чем при использовании только емкостного конденсатора.

LC-фильтр работает намного лучше, чем RC-фильтр, потому что можно сделать соотношение между X C и X L намного больше, чем соотношение между X C и R.Обычно соотношение в LC-фильтре может составлять 1: 4000, что дает гораздо лучшее подавление пульсаций, чем RC-фильтр. Кроме того, поскольку сопротивление постоянному току катушки индуктивности в LC-фильтре намного меньше, чем сопротивление R в RC-фильтре, проблема выделения тепла большим постоянным током значительно снижается в LC-фильтрах.

С помощью комбинированного накопительного конденсатора и фильтра нижних частот можно удалить 95% или более пульсаций переменного тока и получить выходное напряжение, примерно равное пиковому напряжению входной волны.Однако простой источник питания, состоящий только из трансформатора, выпрямителя, резервуара и фильтра нижних частот, имеет некоторые недостатки.

Рис. 1.2.5 Адаптер постоянного тока

Выходное напряжение блока питания имеет тенденцию падать по мере увеличения тока на выходе. Это связано с:

а. Резервуарный конденсатор разряжается больше в каждом цикле.

г. Большее падение напряжения на резисторе или дроссель в фильтре нижних частот при увеличении тока.

Эти проблемы можно в значительной степени преодолеть, включив на выходе источника питания каскад регулятора, как описано в модуле 2 источника питания.

Однако основные схемы питания, описанные здесь, в Модуле 1, обычно используются в обычных адаптерах постоянного тока типа «настенная бородавка», поставляемых со многими электронными продуктами. Наиболее распространенные версии включают трансформатор, мостовой выпрямитель и иногда накопительный конденсатор. Дополнительная фильтрация и регулировка / стабилизация обычно выполняются в цепи, питаемой от адаптера.

Как можно улучшить выходную мощность базового источника питания с помощью схем регулирования, объясняется в Модуле 2 источников питания

Что такое импульсный источник питания SMPS »Примечания по электронике

Импульсные источники питания

, SMPS обеспечивают повышенную эффективность и экономию места по сравнению с традиционными линейными источниками питания, но необходимо следить за тем, чтобы шум на выходе был низким.


Схемы источника питания SMPS Праймер и руководство Включает: Импульсный источник питания
Как работает SMPS Понижающий понижающий преобразователь Повышающий повышающий преобразователь Конвертер Buck Boost

См. Также: Обзор электроники блока питания Линейный источник питания Защита от перенапряжения Характеристики блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания


Импульсные источники питания широко используются из-за преимуществ, которые они предлагают с точки зрения размера, веса, стоимости, эффективности и общей производительности.

Благодаря своим характеристикам импульсные блоки питания используются во всех областях, кроме самых требовательных, чтобы обеспечить эффективный и действенный источник питания для большинства видов электронных систем.

Импульсные источники питания

стали общепринятой частью электронной сцены и часто называются импульсными преобразователями мощности или просто переключателями.

Терминология импульсного источника питания

Импульсный источник питания, SMPS, технология может быть обозначена рядом схожих терминов.Хотя все они рассматривают одну и ту же базовую технологию, они относятся к разным элементам общей технологии:

  • Импульсный источник питания, SMPS: Термин импульсный источник питания обычно используется для обозначения элемента, который может быть подключен к сети или другому внешнему источнику и используется для генерации источника питания. Другими словами, это полноценный блок питания.
  • Регулятор режима переключения: Обычно это относится только к электронной схеме, которая обеспечивает регулирование.Регулятор режима переключения будет частью общего источника питания режима переключения.
  • Контроллер импульсного регулятора: Многие интегральные схемы импульсного регулятора не содержат последовательного переключающего элемента. Это будет верно, если уровни тока или напряжения высоки, потому что внешний последовательный переключающий элемент сможет лучше справляться с более высокими уровнями тока и напряжения, а также с результирующей рассеиваемой мощностью.

Основы импульсного источника питания

Основная концепция импульсного источника питания или SMPS заключается в том, что регулирование осуществляется с помощью импульсного регулятора.В нем используется последовательный переключающий элемент, который выключает подачу тока на сглаживающий конденсатор.

Основная концепция импульсного источника питания

Время включения последовательного элемента регулируется напряжением на конденсаторе. Если оно выше требуемого, переключающий элемент серии отключается, если ниже требуемого — включается. Таким образом, напряжение на сглаживающем или накопительном конденсаторе поддерживается на необходимом уровне.

Преимущества / недостатки импульсного источника питания

Использование любой технологии часто представляет собой тщательный баланс нескольких преимуществ и недостатков.Это справедливо для импульсных источников питания, которые имеют ряд явных преимуществ, но также имеют свои недостатки.

Преимущества ИИП

  • Высокая эффективность: Переключающее действие означает, что элемент последовательного регулятора либо включен, либо выключен, и, следовательно, мало энергии рассеивается в виде тепла, и могут быть достигнуты очень высокие уровни эффективности.
  • Компактный: Благодаря высокой эффективности и низкому уровню рассеивания тепла импульсные источники питания можно сделать более компактными.
  • Стоимость: Одним из факторов, делающих импульсные источники питания очень привлекательными, является их стоимость. Более высокий КПД и переключаемый характер конструкции означают, что количество тепла, которое необходимо уменьшить, ниже, чем у линейных источников, и это снижает затраты. При этом переключаемый характер питания означает, что многие компоненты имеют более низкую стоимость.
  • Гибкая технология: Технология импульсных источников питания может использоваться для обеспечения высокоэффективного преобразования напряжения в приложениях с повышением или «повышением» напряжения или понижающих приложениях.

SMPS Недостатки

  • Шум: Переходные всплески, возникающие при переключении в импульсных источниках питания, являются одной из самых больших проблем. Если выбросы не отфильтрованы должным образом, выбросы могут мигрировать во все области цепей, питаемых импульсными импульсными модулями. Кроме того, всплески или переходные процессы могут вызывать электромагнитные или радиочастотные помехи, которые могут влиять на другие расположенные поблизости элементы электронного оборудования, особенно если они принимают радиосигналы.
  • Внешние компоненты: Хотя можно спроектировать импульсный регулятор с использованием одной интегральной схемы, обычно требуются внешние компоненты. Наиболее очевидным является резервуарный конденсатор, но необходимы и фильтрующие элементы. В некоторых конструкциях последовательный переключающий элемент может быть встроен в интегральную схему, но там, где потребляется любой ток, последовательный переключатель будет внешним компонентом. Все эти компоненты требуют места и увеличивают стоимость.
  • Требуется профессиональный дизайн: Часто можно собрать работающий импульсный источник питания. Обеспечить его соответствие требуемой спецификации может быть сложнее. Особенно сложно обеспечить поддержание уровней пульсации и помех.
  • Фильтрация: Тщательное рассмотрение фильтрации для SMPS, потому что плохая конструкция может привести к высоким уровням шума и скачкам на выходе.

В целом, импульсные блоки питания идеально подходят для множества приложений, от компьютеров до зарядных устройств, от лабораторного оборудования до многих предметов домашней электроники. Стоимость, размер и эффективность являются ключевыми факторами в обеспечении того, чтобы они стали основной технологией для очень многих приложений.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Как импульсный источник питания использует фиктивную нагрузку для адаптера переменного / постоянного тока re_12V10A, Производитель адаптера питания 24V5A, Поставщик адаптера переменного / постоянного тока 5V12A, Заводской оптовик адаптера источника питания 15V8A

Как импульсный источник питания использует фиктивную нагрузку для ремонта цепи?

Импульсный источник питания контролирует время включения и выключения переключающих транзисторов в схеме, что непрерывно стабилизирует выходное напряжение в схеме.Это относительно зрелая технология, разработанная в последние годы. Эквивалентная нагрузка означает, что компонент, который может получать электроэнергию через выходной порт определенной цепи или схемы, называется фиктивной нагрузкой. У фиктивной нагрузки есть способность обнаруживать ошибки цепи в импульсном источнике питания. Как использовать фиктивную нагрузку для проверки? Weida Yuan Electronics сосредоточит внимание на этом вопросе.

Когда нагрузка импульсного источника питания закорочена, выходное напряжение понижается, а выходное напряжение также увеличивается, когда нагрузка разомкнута или нет.При капитальном ремонте обычно используется метод замены фиктивной нагрузки, чтобы определить, неисправна ли часть источника питания или неисправна цепь нагрузки. Что касается выбора фиктивной нагрузки, в качестве фиктивной нагрузки обычно выбирают лампу мощностью 40 Вт или 60 Вт. Плюс в том, что это интуитивно понятно и удобно. В зависимости от того, горит ли лампа или горит, известно, имеет ли источник питания выходное напряжение и выходное напряжение.

По сравнению с преимуществами, недостатки также очень очевидны, в основном отражаясь в проблеме сопротивления.Например, лампа мощностью 60 Вт имеет тепловое сопротивление 500 Ом, в то время как сопротивление холоду составляет всего около 50 Ом. Предположим, что выходное сетевое напряжение источника питания составляет 100 В. Когда лампа мощностью 60 Вт используется в качестве фиктивной нагрузки, ток при работающем источнике питания составляет 200 мА, но ток основной нагрузки при запуске составляет 2 А, что в 10 раз превышает нормальный рабочий ток. Поэтому лампочка используется как фиктивный груз. Трудно запустить блок питания. Поскольку мощность лампы больше, сопротивление холоду меньше.Поэтому пусковой ток у мощной лампочки больше, и блок питания запустить сложнее.

При расчете пускового тока и рабочего тока источника питания для расчета можно использовать формулу I = U / R: ток нагрузки составляет 100 В / 50 Ом = 2 А при включении питания, а ток нагрузки составляет 100 В / 500 Ом. = 0,2А при работающем блоке питания. Однако следует отметить, что приведенные выше расчеты являются теоретическими, и в них могут быть неточности.Чтобы снизить пусковой ток, паяльник мощностью 50 Вт можно использовать как фиктивную нагрузку (значения сопротивления холоду и холоду 900 Ом) или резисторы 50 Вт / 300 Ом, что более точно, чем использование лампы 60 Вт.

Некоторые блоки питания могут быть напрямую подключены к фиктивной нагрузке, а некоторые блоки питания недоступны. Требуется специальный анализ. Ниже приводится подробное объяснение трех типов условий.

Первый тип: линейно-импульсный синхронный импульсный источник питания, может отключать линейную нагрузку непосредственно от фиктивной нагрузки.Импульсный источник питания представляет собой исключительно импульсный источник питания с самовозбуждением. Целью введения импульса прямой линии и обратного направления в основании переключающей трубки является синхронизация автоколебаний и линейного импульса переключающей трубки, а импульсное излучение импульсного источника питания влияет на диагональ экрана. Ограничено реверсивной строчной разверткой, поэтому на экране не видны помехи. Линейный импульс, приложенный к основанию переключающей трубки, только поворачивает переключающую трубку вперед в период выключения и в основном не представляет собой вспомогательную функцию возбуждения.Поэтому он называется линейно-импульсным синхронным импульсным источником питания. Метод определения того, является ли он таким источником питания, заключается в том, что при отключении линейного обратного импульса импульсный источник питания генерирует только звук (поскольку частота колебаний становится низкой), а выходное напряжение не уменьшается. Следовательно, этот источник питания может быть отключен от схемы строчной развертки и отремонтирован методом фиктивной нагрузки.

Вторая категория: его захватывающий импульсный блок питания.Для другого источника питания без импульсной синхронизации линейная нагрузка может быть отключена непосредственно от фиктивной нагрузки. Для другого импульсного источника питания с синхронизацией частоты импульсов и косвенной выборкой, когда фиктивная нагрузка подключена напрямую (особенно лампа с более высокой мощностью, например, 150 Вт), выходное напряжение может падать больше или не выходить, потому что такой источник питания, Хотя добавление линейного импульса играет только роль синхронизации и захвата частоты и не участвует в генерации.Однако импульс синхронизации линии может опередить время проводимости переключающей трубки, и источник питания с нагрузочной способностью является самым мощным. Если линейная нагрузка отключена, синхроимпульс также теряет свое действие, и мощность источника питания с нагрузочной способностью неизбежно снижается. Чувствительность источника питания при межвыборочной выборке невысока, и выходное напряжение также обязательно снижается. Однако, если в схеме источника питания используется прямая выборка (напряжение выборки берется со вторичной обмотки переключающего трансформатора), напряжение может быть отключено от линейной нагрузки и может быть напрямую подключено к фиктивной нагрузке для обслуживания.

Третья категория: импульсные источники питания с импульсным возбуждением. Обратный импульс импульсного источника питания не только завершает синхронизацию частоты автоколебаний импульсного источника питания, но также является неотъемлемой частью цепи обратной связи с переключающей трубкой. Рабочий процесс импульсного источника питания следующий: после включения питания переключающая трубка генерирует автоколебания. При номинальной нагрузке сеть обратной связи может заставить выходную клемму генерировать напряжение ниже 40% от нормального выходного напряжения.Это напряжение позволяет начать линейную развертку и линейный импульс. Обратная связь подается на переключающую трубку, чтобы помочь возбуждению достичь номинального выходного напряжения.

Это имеет две цели: во-первых, это функция понижающей защиты. Как только схема строчной развертки неисправна, будь то разрыв цепи или короткое замыкание, выходное напряжение импульсного источника питания снижается до 60% от исходного значения, так что диапазон повреждения уменьшается. Во-вторых, как силовое, так и линейное сканирование имеют очень короткий процесс плавного пуска, что снижает частоту отказов питания и линейного сканирования.Для такого источника питания, если убрать импульсную цепь линии обратной связи, выходное напряжение источника питания в это время упадет на 40–60%, и даже выходное напряжение будет низким. Очевидно, что этот источник питания не может быть напрямую отключен от строчной развертки методом фиктивной нагрузки, потому что даже при нормальной цепи питания невозможно выдать номинальное напряжение. Способ различения источника питания и схемы строчной развертки заключается в раздельном питании схемы строчной развертки внешним источником питания.Если схема строчной развертки работает нормально, блок питания переключателя неисправен.

Shenzhen WPOWER Co., Ltd. — это адаптер питания переменного / постоянного тока 12В10А. Адаптер питания 24В5А. Производитель адаптера питания. Адаптер Оптовый продавец и другие товары, специализирующиеся на производстве и переработке. Компания располагает полным производственным оборудованием и испытательным оборудованием, первоклассной командой продаж и независимой командой высокого уровня по исследованиям и разработкам.Продукция прошла сертификацию UL, CE, FCC, KC, PSE, SAA, GS и другие. Чтобы узнать больше о производителе адаптера питания переменного / постоянного тока, войдите на официальный сайт источника питания — WPOWER! Назад : В чем причина шума от адаптера питания?
Далее : Обсуждение — преобразование небольшого блока питания может быть линейным

Работа с импульсным блоком питания без нагрузки

Трудно обобщить такое поведение.Некоторые блоки питания будут работать при нагрузке ниже минимальной, но с пониженной производительностью. Другие источники питания могут отключиться, а другие по-прежнему могут работать некорректно (колебаться / отключаться). Другие могут вести себя отлично.

Довольно часто в базовых источниках питания используются схемы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с индуктивными элементами хранения. Частота переключения является фиксированной, а рабочий цикл изменяется для управления выходным напряжением в зависимости от нагрузки и входа.

Когда ток в индуктивном накопителе никогда не падает до нуля, преобразователь работает в двух состояниях — включен и выключен.Это называется режимом непрерывной проводимости (CCM). После достижения CCM рабочий цикл практически не меняется (если не изменяется входной сигнал) — поведение преобразователя не меняется с нагрузкой, и все остается довольно согласованным.

При очень небольшой нагрузке в индуктивном накопительном элементе отсутствует постоянный ток. Преобразователь теперь имеет три рабочих состояния: включение, выключение и уменьшение тока индуктора, выключение и ток индуктора = 0. Это называется режимом прерывистой проводимости (DCM).В DCM выходная нагрузка влияет на рабочий цикл, а также на изменения на входе.

Большинство контроллеров имеют минимальное время включения ШИМ, которое может быть достигнуто — если установка пытается задать рабочий цикл ниже этого минимума, вы можете увидеть неустойчивый выходной сигнал, пропущенные импульсы, высокий ток пульсаций и т. Д. — некоторые преобразователи просто остановятся. регулировка (мощность возрастет). Некоторые контроллеры обнаруживают это и переходят в управляемый пакетный режим, чтобы выходной сигнал регулировался слабо.

Кроме того, компенсация контура обратной связи будет определяться характеристиками CCM преобразователя, поскольку в CCM есть неприятные вещи (например, ноль в правой полуплоскости), которые необходимо стабилизировать, которых по существу нет в DCM — компенсация могут быть неоптимальными, и это повлияет на такие вещи, как переходная реакция.

Импульсный источник питания | Engineering

Импульсный источник питания , или SMPS , представляет собой электронный блок питания (БП), который включает в себя импульсный стабилизатор — внутреннюю схему управления, которая быстро включает и выключает ток нагрузки для стабилизации выходное напряжение.

Классификация []

SMPS можно разделить на четыре типа в соответствии с формами входных и выходных сигналов, как показано ниже.

  • Вход переменного тока, выход постоянного тока: выпрямитель, автономный преобразователь
  • Вход постоянного тока, выход постоянного тока: преобразователь напряжения, преобразователь тока или преобразователь постоянного тока в постоянный
  • AC вход, AC выход: преобразователь частоты, циклоконвертер
  • DC in, AC out: инвертор

AC и DC — это сокращения для переменного и постоянного тока.

Использует []

Импульсные регуляторы

используются вместо линейных регуляторов, когда требуются более высокий КПД, меньший размер или меньший вес. Импульсные блоки питания в бытовых продуктах, таких как персональные компьютеры, часто имеют универсальные входы, что означает, что они могут принимать питание от большинства сетевых источников питания по всему миру с частотами от 50 Гц до 60 Гц и напряжением от 100 В до 240 В (хотя руководство может потребоваться переключатель «диапазона» напряжения). Однако они сложнее и дороже.Их коммутируемые токи могут вызвать проблемы с шумом, если не будут тщательно подавлены, а простые конструкции могут иметь низкий коэффициент мощности.

Тест []

В случае телевизоров, например, можно проверить отличное регулирование источника питания с помощью вариак. Например, в некоторых моделях Philips питание включается, когда напряжение достигает примерно 90 вольт. С этого момента можно изменить напряжение с помощью вариакта и упасть до 40 вольт и до 260, и изображение не будет показывать абсолютно никаких изменений.

SMPS в сравнении с линейными блоками питания []

Доступны два основных типа регулируемых источников питания: SMPS и линейные. Причины выбора того или иного типа можно резюмировать следующим образом.

  • Размер и вес. В линейных источниках питания используется трансформатор, работающий от сети с частотой 50/60 Гц. Этот компонент больше и тяжелее в несколько раз, чем соответствующий меньший трансформатор в SMPS, который работает на более высокой частоте (всегда выше самой высокой слышимой частоты, примерно от 50 кГц до 200 кГц)
  • Эффективность.Линейные источники питания регулируют свою мощность, используя более высокое напряжение на начальных этапах, а затем расходуя часть его в виде тепла для улучшения качества электроэнергии. Эта потеря мощности необходима для схемы и может быть уменьшена, но никогда не устранена путем улучшения конструкции, даже теоретически. SMPS потребляют ток при полном напряжении на основе переменного рабочего цикла и могут увеличивать или уменьшать свою потребляемую мощность для регулирования нагрузки по мере необходимости. Следовательно, хорошо спроектированный SMPS будет более эффективным.
  • Тепловая мощность или рассеиваемая мощность. Неэффективный источник питания должен генерировать больше тепла для питания той же электрической нагрузки. Следовательно, ИИП будет производить меньше тепла.
  • Сложность. Линейные блоки питания могут быть спроектированы и собраны новичками с относительно небольшим количеством деталей. Напротив, SMPS сложны и их трудно хорошо спроектировать; они часто требуют использования трансформаторов и катушек индуктивности, изготовленных на заказ. На поведение SMPS может существенно повлиять расположение компонентов на печатной плате.
  • Радиочастотные помехи. Токи в ИИП переключаются с высокой частотой. Это связано с его внутренним генератором Армстронга, работающим на высокой частоте. Этот высокочастотный генератор может создавать нежелательные электромагнитные помехи. Экранирование радиочастоты необходимо для предотвращения помех. Однако линейные блоки питания обычно не создают помех.
  • Электронный шум на выходных клеммах. Недорогие линейные блоки питания с плохой стабилизацией могут испытывать небольшое напряжение переменного тока, «скачущее» на выходе постоянного тока при удвоенной частоте сети (100/120 Гц).Эти «пульсации» обычно порядка милливольт, и их можно подавить с помощью конденсаторов фильтра большего размера или более совершенных регуляторов напряжения. Это небольшое переменное напряжение может вызвать проблемы в некоторых цепях. Качественные линейные блоки питания намного лучше подавят пульсации. ИИП не имеет «пульсации», более шумный по электрическому принципу, чем хороший линейный БП.
  • Звуковой шум. Линейные блоки питания обычно издают слабый низкочастотный гул на частоте сети, но его редко можно услышать. (Трансформатор отвечает.) SMPS с их меньшими трансформаторами обычно не слышны (если у них нет вентилятора, в случае большинства компьютерных SMPS). Неисправные SMPS могут генерировать высокие звуки, поскольку они действительно создают акустический шум на частоте генератора.
  • Коэффициент мощности. Ток, потребляемый SMPS, не является синусоидальным и не совпадает по фазе с формой волны напряжения питания. Наиболее распространенные конструкции SMPS имеют посредственный коэффициент мощности около 0,6, и их использование в персональных компьютерах и компактных люминесцентных лампах представляет растущую проблему для распределения энергии.Цепи коррекции коэффициента мощности (PFC) могут уменьшить эту проблему и требуются в некоторых странах (в частности, в Европе) в соответствии с законодательством. Коррекция коэффициента мощности пока широко не требуется и не используется в Северной Америке. Линейные блоки питания также не имеют единичных коэффициентов мощности, но не так проблемны, как SMPS.

Как работает SMPS []

Блок-схема сетевого ИИП переменного / постоянного тока с регулировкой выходного напряжения.

Выпрямительный каскад []

Переменный ток, полуволновые и двухполупериодные выпрямленные сигналы

Если SMPS имеет вход переменного тока, то его первая задача — преобразовать вход в постоянный ток.Это называется выпрямлением . Схема выпрямителя может быть сконфигурирована как удвоитель напряжения путем добавления переключателя, управляемого вручную или автоматически. Он создает нерегулируемое постоянное напряжение, которое затем направляется на большой конденсатор фильтра. Ток, потребляемый этой схемой выпрямителя из сети, возникает короткими импульсами около пиков переменного напряжения. Эти импульсы обладают значительной высокочастотной энергией, что снижает коэффициент мощности. Следующие SMPS могут использовать специальные методы управления, чтобы заставить средний входной ток следовать синусоидальной форме входного переменного напряжения, поэтому разработчик должен попытаться скорректировать коэффициент мощности.SMPS с входом постоянного тока не требует этого этапа. SMPS, предназначенный для входа переменного тока, часто может работать от источника постоянного тока, поскольку постоянный ток проходит через каскад выпрямителя без изменений. (Пользователь должен проверить руководство перед тем, как попробовать это!)

Если используется переключатель входного диапазона, выпрямительный каскад обычно конфигурируется для работы как удвоитель напряжения при работе в диапазоне низкого напряжения (~ 120 В переменного тока) и как прямой выпрямитель при работе на высоком напряжении (~ 240 В переменного тока). диапазон. Если переключатель входного диапазона не используется, то обычно используется двухполупериодный выпрямитель, а последующий инверторный каскад просто спроектирован так, чтобы быть достаточно гибким, чтобы принимать широкий диапазон постоянного напряжения, которое будет создаваться каскадом выпрямителя.В мощных ИИП может использоваться автоматическое переключение диапазонов в той или иной форме.

Инверторный каскад []

Инверторный каскад преобразует постоянный ток либо непосредственно со входа, либо из выпрямительного каскада, описанного выше, в переменный ток, пропуская его через силовой генератор, выходной трансформатор которого очень мал с небольшим количеством обмоток с частотой в десятки или сотни килогерц (кГц. ). Частота обычно выбирается выше 20 кГц, чтобы люди не слышали ее. Компьютерные источники питания работают от 360 вольт постоянного тока.Выходное напряжение оптически связано со входом и, таким образом, очень жестко контролируется. Переключение осуществляется с помощью полевых МОП-транзисторов, которые представляют собой тип транзистора с низким сопротивлением в открытом состоянии и высокой пропускной способностью по току. Этот раздел относится к блоку, обозначенному на блок-схеме «Chopper».

Преобразователь напряжения []

Если требуется изолировать выход от входа, как это обычно бывает в сетевых источниках питания, инвертированный переменный ток используется для управления первичной обмоткой высокочастотного трансформатора.Это преобразует напряжение на вторичной обмотке вверх или вниз до необходимого уровня. Этой цели служит выходной трансформатор на блок-схеме.

Если требуется выход постоянного тока, выход переменного тока трансформатора выпрямляется и сглаживается фильтром, состоящим из катушек индуктивности и конденсаторов. Чем выше частота переключения, тем меньше требуются компоненты по стоимости.

Более простые неизолированные источники питания содержат катушку индуктивности вместо трансформатора. Этот тип включает в себя повышающие преобразователи , понижающие преобразователи , и так называемый «повышающий-понижающий преобразователь».Они относятся к простейшему классу преобразователей с одним входом и одним выходом, в которых используется одна катушка индуктивности и один активный переключатель (MOSFET). Понижающий преобразователь снижает входное напряжение прямо пропорционально отношению времени активного включения к общему периоду переключения, называемому коэффициентом заполнения. Например, идеальный понижающий преобразователь со входом 10 В, работающий при скважности 50%, будет производить среднее выходное напряжение 5 В. Контур управления с обратной связью используется для поддержания (регулирования) выходного напряжения путем изменения продолжительности включения для компенсации изменений входного напряжения.Выходное напряжение повышающего преобразователя всегда больше, чем входное напряжение, а выходное напряжение повышающего напряжения инвертируется, но может быть больше, равно или меньше величины его входного напряжения. Существует множество вариаций и расширений этого класса преобразователей, но эти три составляют основу почти всех изолированных и неизолированных преобразователей постоянного тока в постоянный. Добавляя второй индуктор, можно реализовать преобразователи Cuk и SEPIC, или путем добавления дополнительных активных переключателей можно реализовать различные мостовые преобразователи.

В других типах ИИП вместо катушек индуктивности и трансформаторов используется конденсаторно-диодный умножитель напряжения. В основном они используются для генерации высокого напряжения при малых токах.

Регламент

[]

Схема обратной связи контролирует выходное напряжение и сравнивает его с опорным напряжением, которое устанавливается вручную или с помощью электроники на желаемый выход. Если есть ошибка в выходном напряжении, схема обратной связи компенсирует, регулируя время включения и выключения полевых МОП-транзисторов.Эта часть блока питания называется импульсным стабилизатором. Этой цели служит «Контроллер измельчителя», показанный на блок-схеме. В зависимости от конструкции / требований безопасности, контроллер может содержать или не содержать изолирующий механизм (например, оптопары), чтобы изолировать его от выхода постоянного тока. Коммутационные источники в компьютерах, телевизорах и видеомагнитофонах имеют эти оптопары для жесткого контроля выходного напряжения.

Регуляторы разомкнутого контура не имеют цепи обратной связи. Вместо этого они полагаются на подачу постоянного напряжения на вход трансформатора или катушки индуктивности и предполагают, что выход будет правильным.

Коэффициент мощности []

В отличие от большинства других устройств, импульсные источники питания, как правило, представляют собой устройства постоянного питания, потребляющие больше тока при снижении напряжения в сети. Также, как и во многих статических выпрямителях, максимальное потребление тока происходит на пиках цикла формы волны. Это означает, что базовые импульсные источники питания, как правило, генерируют больше гармоник в сети электропитания и имеют худший коэффициент мощности, чем другие типы устройств. Это может вызвать проблемы со стабильностью в некоторых ситуациях, например, в системах аварийных генераторов или при очень высоких нагрузках в обычной электросети (так как это может привести к увеличению тока нейтрали и повышенному нагреву сетевых трансформаторов).Однако доступны более качественные импульсные источники питания с коррекцией коэффициента мощности (PFC); они предназначены для создания практически резистивной нагрузки в сети. Европейские нормативные стандарты теперь начинают требовать коррекции коэффициента мощности и уменьшения гармоник.

Типы []

Импульсные источники питания можно классифицировать по топологии схемы.

  • Понижающий преобразователь (один индуктор; выходное напряжение <входное напряжение)
  • Повышающий преобразователь (один индуктор; выходное напряжение> входного напряжения)
  • понижающе-повышающий преобразователь (с одним дросселем; выходное напряжение может быть больше или меньше входного)
  • Обратный преобразователь (использует выходной трансформатор; позволяет использовать несколько выходов и изоляцию входа-выхода)
  • прямой преобразователь (использует выходной трансформатор; позволяет использовать несколько выходов и изоляцию входа-выхода)
  • Преобразователь uk (использует конденсатор для хранения энергии; выдает отрицательное напряжение на положительный вход)
  • Инвертирующий заряд-накачка (модифицированный uk с одним дросселем; выходное напряжение отрицательное и выше положительного входного напряжения)
  • Преобразователь SEPIC (два индуктора; выходное напряжение может быть выше или ниже входного)

Внешние статьи []

Список литературы []

  • Роберт В.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.