Импульсный блок питания на транзисторах: Простой маломощный импульсный блок питания мощностью 20 ватт на одном транзисторе

Шаг 6. Динамический контроль цепи 4

Эта процедура позволяет проверить, правильно ли работают элементы обратной связи и управления, входящие в цепь 4 блок-схемы (рис.2.) Неисправности в этой цепи часто вызываются отказами транзисторов, отключающими всю петлю обратной связи, Динамический контроль цепи 4 способствует эффективному и быстрому выявлению и устранению этих проблем.

Для выполнения этой проверки вам понадобится внешний регулируемый источник питания постоянного тока, способный выдавать напряжение, равное вторичному напряжению, поступающему для питания выходного каскада строчной развертки (в нашем примере +115 В). Выход этого источника подключается к шине вторичного напряжения так, как это показано на рис. 4, а затем с помощью измерительных приборов исследуется реакция элементов цепи 4 на изменения напряжения на шине +115.
1. Отсоедините эквивалент нагрузки (лампу накаливания) от шины +115 V.
2. Присоедините выход внешнего источника питания к тому месту, где был отсоединен эквивалент.
3.Присоедините вход осциллографа или вольтметра постоянного тока к управляющему входу контроллера ШИМ (выходу оптопары).
4. Установите напряжение сети 220V и включите телевизор.
5. Изменяйте напряжение внешнего источника питания от+100V до номинального значения +110V и далее до +115, наблюдая при этом изменение напряжения на выходе оптопары.

Если цепь обратной связи работает нормально, то увеличение напряжения внешнего источника сопровождается увеличением напряжения на выходе оптопары. Типичной является ситуация, когда на 1 вольт изменения напряжения +B приходится 0,1 V изменения напряжения на коллекторе фототранзистора оптопары. Если напряжение остается постоянным, то в первую очередь следует проверить: Исправность оптопары (помните при выполнении измерений о правильном выборе “горячего” и “холодного” общего провода!), В дальнейшем необходимо проверить остальные элементы цепи обратной связи и управления, включая те, которые передают сигналы вкл/выкл от микропроцессора и сигналы блокировки от различных устройств защиты. Часто отказывают электролитические конденсаторы, которые должны быть проверены на обрыв, утечку и потерю емкости.

В заключение следует отметить, что многие элементы в ИБП работают в условиях больших токов и напряжений на сравнительно высоких частотах, и поэтому их надежность имеет значение, для безопасной эксплуатации телеприемника. В связи с этим производите их замену при необходимости только на те элементы, которые

указаных в перечне элементов фирмы-производителя.

В статье нумерация элементов взята из принципиальной схемы телевизоров цветного изображения альбома №5 страница 104-105. А основная схема (рис. 1) взята из пособия по ремонту импульсных источников питания (Автор Ю.И. Фомичев “Источники питания с устройствами управления на ИМС”). Напряжение вторичного источника питания +B по принципиальной схеме равно 147V.

22 сентября 2001 года С.В. Давыдов

Импульсный источник питания на одном транзисторе без оптопары

Это очень простой автоколебательный импульсный источник питания, построенный только из легко доступных дискретных компонентов, без ИС и оптопары. Импульсный блок питания имеет всего один транзистор — силовой выключатель Т1. Оптопара заменена на производную (непрямую) стабилизацию. Выходное напряжение не измеряется напрямую, а определяется напряжением на C2, которое возникает на вспомогательной обмотке II выпрямления.Когда C2 заряжается до достаточного напряжения, Стабилитрон начинает проводить и ограничивает ток до базы T1, тем самым уменьшая ширину импульсов (ШИМ), и напряжение больше не растет. Между вспомогательной обмоткой II и вторичной обмоткой III применяется коэффициент трансформации. Оба исправляются в одном (блокирующем) направлении, и, таким образом, применяет приблизительную корреляцию между напряжением на выходе и на C2. Это позволяет примерная стабилизация без оптопары.Стабилизация менее точна из-за индуктивности рассеяния между обмотками, сопротивления обмоток и изменение падения напряжения на диодах. Поэтому регулирование нагрузки не так идеально. С другой стороны, линейное регулирование (подавление пульсаций и изменений частоты сетевого напряжения) в этом типе питания на удивление очень хорошо.
Выходное напряжение можно регулировать по мере необходимости. Просто измените количество витков вторичной обмотки (III). В нем около 1.17 витков / В (с округлением конечно). Выходное напряжение уменьшается за счет диода D1. Для малых напряжений (Около 6 В или меньше) замените быстрый диод D1 диодом Шоттки с номиналом 40 В или более. При преобразовании этого типа питания на другое выходное напряжение НЕ изменяйте значение стабилитрона! Tr1 — это небольшой трансформатор с ферритовым сердечником EE. Центральная стойка имеет поперечное сечение 4,5 х 4,5 мм и воздушный зазор 0,4 мм. Сердечник можно получить от вспомогательного трансформатора от ATX. Это типичный «маленький высокий» трансформатор.В первичной обмотке 200 витков проволоки диаметром 0,12 мм. Сначала намотайте половину первичной обмотки (I) (100 витков), затем толстый слой изоляции, затем вторичную обмотку (III), затем снова толстый слой изоляции, затем вспомогательная обмотка (II), затем более тонкий слой изоляции и, наконец, вторая половина первичной обмотки (I) (снова 100 оборотов в ту же сторону). Транзистор T1 может быть любым из Ucb = 800 В и Uce = 450 В или более, например KSC5027, 2SC3150, 2SC3457, 2SC2979, 2SC2866 (может быть восстановлен из ATX или маленький SMPS) или BUT11AF (можно недорого купить).Максимальная выходная мощность составляет около 5 Вт с Т1 без радиатора и около 12 Вт с радиатором.

Предупреждение! Импульсное питание не для новичков, так как большинство его цепей подключено к фатальному сетевому напряжению. При плохом дизайне электросеть напряжение может достигать выхода! Конденсаторы могут оставаться заряженными до опасного напряжения даже после отключения от сети. Все, что вы делаете на свой страх и риск, за любую травму здоровье или имущество я не беру на себя ответственности.

Добавлен: 14. 11. 2011
дом

Apple не произвела революцию в источниках питания; новых транзисторов сделал

Вместо обычного линейного источника питания Холт построил тот, который используется в осциллографах. Он включал и выключал питание не шестьдесят раз в секунду, а тысячи раз; это позволило ему сохранять энергию в течение гораздо меньшего времени и, следовательно, отбрасывать меньше тепла. «Этот импульсный источник питания был столь же революционным, как и материнская плата Apple II», — сказал позже Джобс. «Род не получил большого признания за это в учебниках истории, но он должен. Каждый компьютер теперь использует импульсные блоки питания, и все они копируют дизайн Рода Холта».

История импульсных блоков питания оказывается довольно интересной.Хотя большинство людей рассматривают блок питания как скучную металлическую коробку, на самом деле за этим стоит много технологических разработок. Фактически произошла революция в источниках питания в конце 1960-х — середине 1970-х годов, когда импульсные источники питания пришли на смену простым, но неэффективным линейным источникам питания, но это произошло за несколько лет до выхода Apple II в 1977 году. для этой революции следует перейти к достижениям в полупроводниковой технологии, в частности, к усовершенствованию переключающих транзисторов, а затем и к инновационным ИС для управления импульсными источниками питания.[2]

Некоторые сведения об источниках питания

Типичный линейный источник питания использует громоздкий силовой трансформатор для преобразования 120 В переменного тока в низкое напряжение переменного тока, преобразует его в постоянное напряжение низкого напряжения с помощью диодного моста, а затем использует линейный регулятор для понижения напряжения до желаемого уровня.Линейный стабилизатор — это недорогой, простой в использовании компонент на основе транзистора, который преобразует избыточное напряжение в отходящее тепло для получения стабильного выходного сигнала. Линейные источники питания почти несложно спроектировать и изготовить [6]. Однако одним большим недостатком является то, что они обычно тратят около 50-65% энергии в виде тепла [7], часто требуя больших металлических радиаторов или вентиляторов для отвода тепла. Второй недостаток — они большие и тяжелые. С другой стороны, компоненты (кроме трансформатора) в линейных источниках питания должны работать только с низким напряжением, а выход очень стабильный и бесшумный.

Импульсный источник питания работает по совершенно другому принципу: быстрое включение и выключение питания, а не превращение избыточной мощности в тепло. В импульсном источнике питания входная линия переменного тока преобразуется в высоковольтный постоянный ток, а затем источник питания включает и выключает постоянный ток тысячи раз в секунду, тщательно контролируя время переключения, чтобы выходное напряжение в среднем составляло желаемое значение. Теоретически энергия не тратится зря, хотя на практике КПД составляет 80% -90%.Импульсные источники питания намного эффективнее, выделяют гораздо меньше тепла и намного меньше и легче линейных источников питания. Основным недостатком импульсного источника питания является то, что он значительно сложнее, чем линейный источник питания, и его гораздо труднее спроектировать [8]. Кроме того, он предъявляет гораздо более высокие требования к компонентам, требуя транзисторов, которые могут эффективно включаться и выключаться на высокой скорости при большой мощности. Переключатели, катушки индуктивности и конденсаторы в импульсном источнике питания могут быть расположены в нескольких различных схемах (или топологиях) с такими названиями, как понижающий, повышающий, обратный, прямой, двухтактный, полуволновой и полноволновой.[9]

История импульсных источников питания до 1977 г.

Компьютерная промышленность начала использовать импульсные блоки питания в конце 1960-х годов, и их популярность неуклонно росла. Примеры включают миникомпьютер PDP-11/20 в 1969 году [20] Honeywell h416R в 1970 году [21] и миникомпьютер Hewlett-Packard 2100A в 1971 году.[22] [23] К 1971 году компании, использующие импульсные регуляторы, «читали как« Кто есть кто »компьютерной индустрии: IBM, Honeywell, Univac, DEC, Burroughs и RCA, и это лишь некоторые из них» [21]. В 1974 году HP использовала импульсный источник питания для миникомпьютера 21MX, [24] Data General для Nova 2/4, [25] Texas Instruments для 960B, [26] и Interdata для своих мини-компьютеров. [27] В 1975 году HP использовала автономный импульсный источник питания в терминале с дисплеем HP2640A, [28] Matsushita для своего миникомпьютера управления трафиком [29] и IBM для своего подобного пишущей машинке Selectric Composer [29] и портативного компьютера IBM 5100. .[30] К 1976 году Data General использовала импульсные блоки питания для половины своих систем, Hitachi и Ferranti использовали их [29], настольный компьютер Hewlett-Packard 9825A [31] и калькулятор 9815A [32] использовали их, а decsystem 20 [33] — большой импульсный блок питания. К 1976 году в жилых комнатах появились импульсные источники питания, питающие цветные телевизионные приемники. [34] [35]

Импульсные блоки питания также стали популярными продуктами для производителей блоков питания, начиная с конца 1960-х годов.В 1967 году RO Associates представила первый импульсный источник питания 20 кГц [36], который, как они утверждают, также был первым коммерчески успешным импульсным источником питания [37]. NEMIC начала разработку стандартизированных импульсных источников питания в Японии в 1970 году [38]. К 1972 году большинство производителей блоков питания предлагали импульсные блоки питания или собирались их предложить. [5] [39] [40] [41] [42] HP продала линейку импульсных блоков питания мощностью 300 Вт в 1973 году [43], а также компактный импульсный источник питания мощностью 500 Вт [44] и импульсный блок питания мощностью 110 Вт [45] в 1975 году.К 1975 году импульсные блоки питания составляли 8% рынка блоков питания и быстро росли благодаря улучшенным компонентам и желанию использовать блоки питания меньшего размера для таких продуктов, как микрокомпьютеры. [46]

Импульсные источники питания были представлены в журналах по электронике того времени, как в рекламных объявлениях, так и в статьях. Electronic Design рекомендовал импульсные источники питания в 1964 году для повышения эффективности [47]. На обложке журнала Electronics World за октябрь 1971 года был представлен импульсный блок питания мощностью 500 Вт и статья «Блок питания импульсного регулятора». В длинной статье о блоках питания в Computer Design 1972 года подробно обсуждались импульсные блоки питания и растущее использование импульсных блоков питания в компьютерах, хотя и упоминается, что некоторые компании все еще скептически относились к импульсным источникам питания [5]. В 1973 году в журнале Electronic Engineering была опубликована подробная статья «Импульсные источники питания: почему и как» [42]. В 1976 году обложка журнала Electronic Design [48] была озаглавлена ​​«Внезапно переключиться стало проще», описывая новые ИС контроллера импульсного источника питания, Electronics опубликовала длинную статью об импульсных источниках питания, [29] Powertec разместила двухстраничную рекламу преимуществ своих импульсных источников питания с ключевой фразой «Большой переключатель — это переключатели» [49], а журнал Byte объявил о импульсных источниках питания Boschert для микрокомпьютеров.[50]

Ключевым разработчиком импульсных блоков питания был Роберт Бошерт, который бросил свою работу и в 1970 году начал собирать блоки питания на своем кухонном столе [51]. Он сосредоточился на упрощении импульсных источников питания, чтобы сделать их экономически выгодными по сравнению с линейными источниками питания, и к 1974 году он начал массовое производство недорогих источников питания для принтеров [51] [52], за которым последовала недорогая коммутация мощностью 80 Вт. Электроснабжение в 1976 г. [50] К 1977 году Boschert Inc выросла до компании с 650 сотрудниками [51], которая производила блоки питания для спутников и истребителей F-14 [53], а затем блоки питания для таких компаний, как HP [54] и Sun.Люди часто думают, что настоящее время — уникальное время для технологических стартапов, но Бошерт показывает, что стартапы на кухонном столе происходили даже 40 лет назад.

Развитие импульсных источников питания в 1970-х годах было в значительной степени обусловлено новыми компонентами. [55] Номинальное напряжение переключаемых транзисторов часто было ограничивающим фактором [5], поэтому появление в конце 1960-х — начале 1970-х годов высокоэффективных, высокоскоростных и мощных транзисторов по низкой цене значительно увеличило популярность импульсных источников питания. [5] [6] [21] [16] Технология транзисторов развивалась так быстро, что коммерческий блок питания мощностью 500 Вт, представленный на обложке Electronics World в 1971 году, не мог быть построен с транзисторами всего 18 месяцев назад [21]. Как только силовые транзисторы смогут выдерживать сотни вольт, источники питания смогут отказаться от тяжелого силового трансформатора с частотой 60 Гц и работать в автономном режиме непосредственно от сетевого напряжения. Более высокие скорости переключения транзисторов позволили использовать более эффективные и гораздо меньшие блоки питания. Введение интегральных схем для управления импульсными источниками питания в 1976 году широко рассматривается как начало эры импульсных источников питания за счет их радикального упрощения.[10] [56]

К началу 1970-х годов стало ясно, что происходит революция. Производитель блоков питания Уолт Хиршберг заявил в 1973 году, что «революция в конструкции блоков питания, происходящая в настоящее время, не будет завершена до тех пор, пока трансформатор на 60 Гц не будет почти полностью заменен» [57]. В 1977 году во влиятельной книге по источникам питания говорилось, что « считалось, что импульсные регуляторы совершают революцию в отрасли электроснабжения »[58].

Apple II и его блок питания

Стив Джобс сказал, что теперь каждый компьютер копирует революционный дизайн Рода Холта [1]. Но революционен ли этот дизайн? Был ли он сорван с любого другого компьютера?

Как показано выше, импульсные блоки питания использовались на многих компьютерах к моменту выпуска Apple II.Конструкция не является особенно революционной, поскольку аналогичные простые автономные обратноходовые преобразователи продавались Boschert [50] [60] и другими компаниями. В долгосрочной перспективе создание схемы управления из дискретных компонентов, как это сделала Apple, было тупиковой технологией, поскольку будущее импульсных источников питания было за ИС контроллеров ШИМ [2]. Удивительно, что Apple продолжала использовать дискретные генераторы в источниках питания даже через Macintosh Classic, так как контроллеры IC были представлены в 1975 году. [48] Apple действительно перешла на контроллеры IC, например, в Performa [61] и iMac.[62]

Блок питания, который Род Холт разработал для Apple, был достаточно инновационным, чтобы получить патент [63], поэтому я подробно изучил патент, чтобы увидеть, есть ли какие-нибудь менее очевидные революционные особенности. В патенте описаны два механизма защиты источника питания от сбоев. Первый (пункт 1) — это механизм безопасного запуска генератора через вход переменного тока. Второй механизм (пункт 8) возвращает избыточную энергию от трансформатора к источнику питания (особенно при отсутствии нагрузки) через зажимную обмотку на трансформаторе и диод.

Механизм запуска переменного тока не использовался Apple II, [59] но использовался Apple II Plus, [64] Apple III, [65] Lisa, [66] Macintosh, [67] и Mac 128K через Classic.[68] Я не смог найти никаких источников питания сторонних производителей, которые использовали бы этот механизм, [69] кроме блока питания телевизора 1978 года, [70] и он стал устаревшим контроллерами IC, так что этот механизм, похоже, не повлиял на компьютерный блок питания.

Второй механизм в патенте Холта, зажимная обмотка и диод для возврата мощности в обратном преобразователе, использовался в различных источниках питания до середины 1980-х годов, а затем исчез. Некоторые примеры — источник питания Boschert OL25 (1978), [60] Apple III (1980), [65] Документация Apple по источникам питания (1982 г.), [59] Жесткий диск Tandy (1982 г.), [71] Тэнди 2000 (1983), [72] [73] Яблочная Лиза (1983), [66] Apple Macintosh (1984 г.), [67] Commodore Model B128 (1984), [74] Тэнди 6000 (1985), [75] а также От Mac Plus (1986) до Mac Classic (1990).[68] Эта обмотка с обратным зажимом, по-видимому, была популярна в Motorola в 1980-х годах, она фигурирует в техническом описании микросхемы контроллера MC34060 [76], руководстве разработчика 1983 года [77] (где обмотка описывалась как обычная, но необязательная) и в примечании к применению 1984 года. . [78]

Является ли этот зажим обратного хода намоткой на инновации Холта, которые сорвали другие компании? Я так и думал, пока не нашел книгу по источникам питания 1976 года, в которой подробно описывалась эта обмотка [35], которая испортила мой рассказ. (Также обратите внимание, что в прямых преобразователях (в отличие от обратных преобразователей) эта зажимная обмотка использовалась еще в 1956 году [79] [80] [81], поэтому ее применение в обратном преобразователе в любом случае не кажется большим скачком. .)

Одним из вызывающих недоумение аспектов обсуждения источников питания в книге Стива Джобса [1] является утверждение, что источник питания Apple II «похож на те, что используются в осциллографах», поскольку осциллографы — это всего лишь одно небольшое применение для переключения источников питания. Это заявление, по-видимому, возникло из-за того, что Холт ранее разработал импульсный источник питания для осциллографов [82], но нет другой связи между источником питания Apple и источниками питания осциллографов.

Наибольшее влияние Apple II на индустрию блоков питания оказала Astec — гонконгская компания, производившая блоки питания.До появления Apple II Astec была малоизвестным производителем импульсных инверторов постоянного и переменного тока. Но к 1982 году Astec стала ведущим в мире производителем импульсных источников питания, почти полностью опираясь на бизнес Apple, и удерживала первое место в течение ряда лет. [83] [84] В 1999 году Astec была приобретена компанией Emerson [85], которая в настоящее время является второй по величине компанией в области энергоснабжения после Delta Electronics. [86]

Малоизвестный факт об источнике питания Apple II заключается в том, что он был первоначально собран калифорнийскими домохозяйками среднего класса как сдельная.[83] Однако по мере роста спроса строительство источника питания было передано Astec, хотя оно стоило на 7 долларов больше. К 1983 году Astec производила 30 000 блоков питания Apple в месяц. [83]

Блоки питания post-Apple

Я буду подробно сравнивать блок питания для ПК IBM 5150 с блоком питания Apple II, чтобы показать их общие черты и различия. Оба они представляют собой автономные источники питания с обратным ходом и несколькими выходами, но это почти все, что у них общего. Несмотря на то, что в блоке питания ПК используется контроллер IC, а в Apple II используются дискретные компоненты, в блоке питания ПК используется примерно в два раза больше компонентов, чем в блоке питания Apple II. В то время как в блоке питания Apple II используется генератор переменной частоты, построенный на транзисторах, в блоке питания ПК используется генератор ШИМ фиксированной частоты, обеспечиваемый микросхемой контроллера NE5560.В ПК используются оптоизоляторы для обеспечения обратной связи по напряжению с контроллером, а в Apple II используется небольшой трансформатор. Apple II напрямую управляет силовым транзистором, в то время как ПК использует управляющий трансформатор. ПК проверяет все четыре выхода мощности на соответствие нижнему и верхнему пределам напряжения, чтобы убедиться, что питание хорошее, и выключает контроллер, если какое-либо напряжение выходит за пределы спецификации. Apple II вместо этого использует лом SCR на выходе 12 В, если это напряжение слишком высокое. В то время как обратноходовой трансформатор ПК имеет одну первичную обмотку, Apple II использует дополнительную первичную фиксирующую обмотку для возврата мощности, а также другую первичную обмотку для обратной связи.ПК обеспечивает линейное регулирование от источников питания 12 В и -5 В, а Apple II — нет. В ПК используется вентилятор, а в Apple II — нет. Понятно, что блок питания IBM 5150 не «сдирает» конструкцию блоков питания Apple II, поскольку между ними почти нет ничего общего. А позже конструкции блоков питания стали еще более разными.

Блок питания IBM PC AT стал де-факто стандартом для блоков питания компьютеров. В 1995 году Intel представила спецификацию материнской платы ATX [88], а блок питания ATX (вместе с вариантами) стал стандартом для блоков питания настольных компьютеров, при этом компоненты и конструкции часто ориентированы именно на рынок ATX.[89]

Компьютерные системы питания стали более сложными с появлением в 1995 году модуля регулятора напряжения (VRM) для Pentium Pro, который требовал более низкого напряжения при более высоком токе, чем источник питания мог обеспечить напрямую. Для обеспечения этого питания Intel представила VRM — импульсный стабилизатор постоянного тока, установленный рядом с процессором, который снижает 12 вольт от источника питания до низкого напряжения, используемого процессором [90]. (Если вы разгоняете свой компьютер, именно VRM позволяет поднять напряжение.) Кроме того, видеокарты могут иметь собственный VRM для питания высокопроизводительного графического чипа. Быстрый процессор может потребовать 130 Вт от VRM. Сравнение этого с половиной ватта мощности, используемой процессором Apple II 6502 [91], показывает огромный рост энергопотребления современных процессоров. Один только современный процессорный чип может использовать более чем в два раза мощность всего компьютера IBM 5150 или в три раза больше, чем Apple II.

Поразительный рост компьютерной индустрии привел к тому, что потребление энергии компьютерами стало причиной беспокойства об окружающей среде, что привело к появлению инициатив и нормативных актов, направленных на повышение эффективности источников питания.[92] В США сертификация Energy Star и 80 PLUS [93] подталкивает производителей к производству более эффективных «зеленых» источников питания. Эти источники питания обеспечивают большую эффективность с помощью различных методов: более эффективное резервное питание, более эффективные схемы запуска, резонансные схемы (также известные как мягкое переключение и ZCT или ZVT), которые снижают потери мощности в переключающих транзисторах за счет отсутствия питания протекает через них, когда они выключаются, и схемы «активного зажима» для замены переключающих диодов более эффективными транзисторными схемами.[94] Усовершенствования в технологии MOSFET-транзисторов и высоковольтных кремниевых выпрямителей за последнее десятилетие также привели к повышению эффективности. [92]

Источники питания могут более эффективно использовать мощность сети переменного тока с помощью метода коррекции коэффициента мощности (PFC). [95] Активная коррекция коэффициента мощности добавляет еще одну схему переключения перед основной схемой источника питания. Специальная микросхема контроллера PFC переключает его с частотой до 250 кГц, аккуратно извлекая плавное количество энергии из источника питания для создания постоянного высокого напряжения, которое затем подается в обычную схему импульсного источника питания.[13] [96] PFC также иллюстрирует, как блоки питания превратились в товар с очень тонкой маржой, где доллар — это большие деньги. Активная коррекция коэффициента мощности считается особенностью высокопроизводительных источников питания, но ее фактическая стоимость составляет всего около 1,50 доллара США [97].

На протяжении многих лет для блоков питания IBM PC использовалось множество различных микросхем контроллеров, конструкций и топологий, как для поддержки различных уровней мощности, так и для использования преимуществ новых технологий. [98] Микросхемы контроллеров, такие как NE5560 и SG3524, были популярны в ранних ПК IBM.[99] Микросхема TL494 стала очень популярной в конфигурации полумоста, [99] самой популярной конструкции в 1990-х. [100] Серия UC3842 также была популярна для конфигураций прямого преобразователя. [99] Стремление к повышению эффективности сделало двойные прямые преобразователи более популярными [101], а коррекция коэффициента мощности (PFC) сделала контроллер CM6800 очень популярным [102], поскольку одна микросхема управляет обеими цепями. В последнее время стали более распространены прямые преобразователи, которые генерируют только 12 В, с использованием преобразователей постоянного тока для получения очень стабильных 3.Выходы 3 В и 5 В. [94] Более подробную информацию о современных источниках питания можно получить из многих источников. [103] [104] [98] [105]

В этом типичном блоке питания XT мощностью 150 Вт используется популярная полумостовая конструкция. Фильтр переменного тока на входе справа. Слева от него находится схема управления / драйвера: микросхема TL494 вверху управляет маленьким желтым приводным трансформатором внизу, который управляет двумя переключающими транзисторами на радиаторах внизу. Слева от него находится больший желтый главный трансформатор с вторичными диодами и регулятором на радиаторах и выходной фильтром слева.Этот полумостовой блок питания полностью отличается от конструкции Apple II с обратным ходом. Право на фотографию принадлежит larrymoencurly, использовано с разрешения.

Современные компьютеры содержат удивительный набор импульсных источников питания и регуляторов. Современный источник питания может содержать переключающую схему PFC, переключающий обратноходовой источник питания для резервного питания, переключающий прямой преобразователь для выработки 12 вольт, переключающий преобразователь постоянного тока в постоянный для выработки 5 вольт и переключающий преобразователь постоянного тока в постоянный для выработки 3 .3 вольта, [94] поэтому блок питания ATX можно рассматривать как пять различных импульсных блоков питания в одной коробке. Кроме того, на материнской плате есть импульсный регулятор VRM для питания процессора, а на видеокарте есть еще один VRM, всего семь коммутируемых источников питания в типичном настольном компьютере.

Технология импульсных источников питания продолжает развиваться. Одно из разработок — цифровое управление и цифровое управление питанием. [106] Вместо использования аналоговых схем управления микросхемы цифрового контроллера оцифровывают управляющие входы и используют программные алгоритмы для управления выходами.Таким образом, проектирование контроллера источника питания становится вопросом программирования в такой же степени, как и проектирования аппаратного обеспечения. Цифровое управление питанием позволяет источникам питания обмениваться данными с остальной системой для повышения эффективности и ведения журналов. Хотя сейчас эти цифровые технологии в основном используются для серверов, я ожидаю, что в конечном итоге они перейдут на настольные компьютеры.

Подводя итог, можно сказать, что исходный блок питания для ПК IBM 5150 почти во всех отношениях отличался от блока питания Apple II, за исключением того, что оба блока питания были обратноходовыми.Более современные блоки питания не имеют ничего общего с Apple II. Абсурдно утверждать, что блоки питания копируют дизайн Apple.

Известные конструкторы импульсных источников питания

Ирония в комментарии Стива Джобса о том, что Род Холт не заслуживает большого уважения, заключается в том, что работа Рода Холта описана в десятках книг и статей об Apple, от Revenge of the Nerds, в 1982 [109] до лучших работ 2011 года. продавая биографию Стива Джобса, что делает Рода Холта самым известным дизайнером блоков питания за всю историю.

Заключение

Если вас интересуют блоки питания, вам также может понравиться моя статья «Крошечный, дешевый и опасный: внутри (поддельного) зарядного устройства для iPhone».

Примечания и ссылки

[1] Стив Джобс , Уолтер Исааксон, 2011. Дизайн блока питания Рода Холта для Apple II обсуждается на странице 74. Обратите внимание, что описание импульсного блока питания в этой книге довольно искажено.

[2] ШИМ: от одного чипа к гигантской отрасли, Джин Хефтман, Power Electronics Technology, стр 48-53, октябрь 2005 г.

[3] Предварительное планирование площадки: компьютер Cray-1 (1975) В Cray-1 использовались два мотор-генератора мощностью 200 л.с. (150 кВт) для преобразования входного переменного тока 250 А 460 В в регулируемую мощность 208 В, 400 Гц; каждый мотор-генератор был примерно 3900 фунтов. Мощность 208 В, 400 Гц подавалась на 36 отдельных источников питания, в которых использовались двенадцатифазные трансформаторы, но не было внутренних регуляторов. Эти блоки питания образуют 12 верстаков вокруг компьютера Cray. Фотографии силовых компонентов Cray можно найти в Справочном руководстве по аппаратному обеспечению Cray-1 серии S (1981).Эта установка высокочастотный двигатель-генератор может показаться странной, но в IBM 370 использовалась аналогичная установка, см. Объявление: IBM System / 370 Model 145.

[4] Во многих более крупных компьютерах для регулирования использовались феррорезонансные трансформаторы. Например, в блоке питания компьютера IBM 1401 использовался феррорезонансный регулятор мощностью 1250 Вт, см. Справочное руководство, 1401 Data Processing System (1961), стр. 13. В HP 3000 Series 64/68/70 также использовались феррорезонансные трансформаторы, см. Руководство по установке компьютеров Series 64/68/70 (1986), стр. 2-3.DEC использовала феррорезонансные и линейные источники питания почти исключительно в начале 1970-х годов, в том числе для PDP-8 / A (рисунок в «Выбор источника питания вырисовывается в сложных конструкциях», Electronics , Oct 1976, volume 49, p111).

[5] «Источники питания для компьютеров и периферийных устройств», Computer Design , июль 1972 г., стр. 55-65. В этой длинной статье о блоках питания много говорится об импульсных блоках питания. Он описывает понижающую (последовательную), повышающую (шунтирующую), двухтактную (инверторную) и полную мостовую топологии.В статье говорится, что номинальное напряжение переключающего транзистора является ограничивающим параметром во многих приложениях, но «высоковольтные высокоскоростные транзисторы становятся все более доступными по низкой цене, что является важным фактором более широкого использования источников импульсных стабилизаторов». В нем делается вывод, что «Доступность высоковольтных, высокомощных переключающих транзисторов по умеренным ценам дает дополнительный импульс использованию высокоэффективных импульсных обычных [sic] источников питания. В этом году ожидается существенное увеличение их использования.»

В статье также говорится: «Одной из наиболее спорных тем является продолжающаяся дискуссия о ценности импульсных источников питания для компьютерных приложений в сравнении с обычными последовательными транзисторными регуляторами». Это подтверждается некоторыми комментариями поставщиков. Одним из скептиков была компания Elexon Power Systems, которая «не считает импульсные регуляторы« ответом ». В ближайшем будущем они планируют раскрыть совершенно новый подход к источникам питания ». Другой был Modular Power Inc, который «не рекомендовал переключать регуляторы, за исключением случаев, когда малый размер, легкий вес и высокая эффективность являются основными соображениями, как в портативном и бортовом оборудовании.«Sola Basic Industries» заявила, что «их инженеры крайне скептически относятся к долговременной надежности импульсных стабилизаторов в практических конструкциях массового производства и прогнозируют проблемы с отказом транзисторов».

Раздел статьи, посвященный комментариям производителей, дает представление о технологиях в отрасли электроснабжения в 1972 году: Hewlett Packard »указывает, что на сегодняшний день большое влияние оказывает доступность высокоскоростных, сильноточных и недорогих транзисторов, чему способствует нынешняя тенденция к импульсным стабилизаторам.Компания широко использует переключатели в полном спектре конструкций с высокой мощностью ». Lambda Electronics «широко использует импульсные регуляторы на выходную мощность более 100 Вт», которые предназначены для предотвращения охлаждения вентилятором. Компания Analog Devices предложила прецизионные расходные материалы, в которых для повышения эффективности используются методы переключения. RO Associates «считает, что рост количества импульсных источников питания является серьезным изменением в области проектирования источников питания». Они предлагали миниатюрные источники на 20 кГц и недорогие источники на 60 кГц. Sola Basic Industries »прогнозирует, что производители мини-компьютеров будут использовать больше бестрансформаторных импульсных регуляторов в 1972 году для повышения эффективности и уменьшения размера и веса.» Trio Laboratories «указывает на то, что производители компьютеров и периферийных устройств обращаются к переходным типам, потому что цены сейчас более конкурентоспособны, а приложения требуют меньшего размера».

[6] Практическая конструкция импульсного источника питания, Марти Браун, 1990, стр. 17.

[7] См. Раздел комментариев для подробного обсуждения эффективности линейного источника питания.

[8] Поваренная книга по источникам питания , Марти Браун, 2001. На странице 5 обсуждается относительное время разработки для различных технологий питания: линейный регулятор занимает 1 неделю общего времени разработки, а импульсный стабилизатор с ШИМ требует 8 человеко-месяцев.

[9] Сводка различных топологий находится в обзорах SMPS и топологиях источников питания. Подробности см. В Microchip AN 1114: Топологии SMPS и Топологии импульсных источников питания

[10] Лауреат премии за выслугу лет Роберт Маммано, Power Electronics Technology , сентябрь 2005 г., стр. 48-51. В этой статье Silicon General SG1524 (1975) описывается как ИС, открывшая эру импульсных регуляторов и импульсных источников питания.

[11] Справочное руководство по проектированию заказчиков IBM: Блок питания 736, Блок питания 741, Блок распределения питания 746 (1958), стр. 60-17.Блок питания для компьютера 704 состоит из трех шкафов размером с холодильник, заполненных электронными лампами, предохранителями, реле, механическими таймерами и трансформаторами, потребляющими мощность 90,8 кВА. Он использовал несколько методов регулирования, включая трансформаторы с насыщаемым реактором и опорное напряжение на основе термисторов. Выходы постоянного тока регулировались переключающим механизмом тиратрона с частотой 60 Гц. Тиратроны — это переключающие вакуумные лампы, которые управляют выходным напряжением (подобно триакам в обычном диммерном переключателе). Это можно рассматривать как импульсный источник питания (см. Источники питания, импульсные регуляторы, инверторы и преобразователи , Irving Gottlieb, pp 186-188).

[12] В своей рекламе Pioneer Magnetics заявляет, что разработала свой первый импульсный источник питания в 1958 году. Например, см. Electronic Design , V27, p216.

[13] Источник питания с коэффициентом мощности Unity, патент 4677366. Pioneer Magnetics подала этот патент в 1986 году на активную коррекцию коэффициента мощности. См. Также статью Pioneer Magnetics «Почему PFC? страница.

[14] Один из первых импульсных источников питания был описан в «Транзисторный преобразователь-усилитель мощности», Д. А. Пейнтер, General Electric Co., Конференция по твердотельным схемам , 1959, стр. 90-91. Также см. Соответствующий патент 1960 г. 3067378 «Транзисторный преобразователь».

[15] Исследование бездиссипативного преобразователя постоянного тока в постоянный, Центр космических полетов Годдарда, 1964. Этот обзор транзисторных преобразователей постоянного тока показывает около 20 различных схем переключения, известных в начале 1960-х годов. Обратный преобразователь заметно отсутствует. Многие другие отчеты НАСА о преобразователях энергии за этот период доступны на сервере технических отчетов НАСА.

[16] Подробная история импульсных источников питания представлена ​​в S.J. M.Phil Уоткинса. дипломная работа Автоматическое тестирование импульсных источников питания, в гл. История и развитие импульсных источников питания до 1987 г.

[17] История развития импульсных источников питания, TDK Power Electronics World. Это дает очень краткую историю импульсных источников питания. В TDK также есть удивительно подробное обсуждение импульсных источников питания в комической форме: TDK Power Electronics World.

[18] «Спутниковый источник питания с регулируемой шириной импульса», Electronics , февраль 1962 г., стр. 47-49. В этой статье Эллиота Джозефсона из Lockheed описывается ШИМ-преобразователь постоянного тока с постоянной частотой для спутников. См. Также патент 3219907 Устройство преобразования мощности.

[19] Система электропитания космического корабля, Telstar, 1963. Спутник Telstar получал энергию от солнечных батарей, сохраняя энергию в никель-кадмиевых батареях. Эффективность была критической для спутника, поэтому использовался импульсный стабилизатор напряжения постоянного тока с понижающим преобразователем, преобразующим переменное напряжение батареи в стабильное -16 В постоянного тока при мощности до 32 Вт при КПД до 92%.Поскольку спутнику требовался широкий диапазон напряжений, до 1770 вольт для ВЧ усилителя, были использованы дополнительные преобразователи. Регулируемый постоянный ток преобразовывался в переменный, подавался на трансформаторы и выпрямлялся для получения необходимых напряжений.

[20] В некоторых моделях PDP, таких как PDP-11/20, использовался источник питания H720 (см. Руководство по PDP, 1969). Этот источник питания подробно описан в Руководстве по блоку питания и монтажной коробке H720 (1970). В источнике питания весом 25 фунтов используется силовой трансформатор для генерации 25 В постоянного тока, а затем импульсные регуляторы (понижающий преобразователь) для генерации 230 Вт регулируемого напряжения +5 и -15 вольт.Поскольку транзисторы той эпохи не могли работать с высоким напряжением, напряжение постоянного тока пришлось снизить до 25 вольт с помощью большого силового трансформатора.

[21] «Источник питания импульсного регулятора», Electronics World v86 October 1971, p43-47. Эта длинная статья об импульсных источниках питания была размещена на обложке журнала Electronics World . Статью стоит поискать хотя бы для изображения импульсного источника питания самолета F-111, которое выглядит настолько сложным, что я почти ожидал, что он посадит самолет.Импульсные источники питания, обсуждаемые в этой статье, сочетают в себе импульсный инвертор DC-DC с трансформатором для изоляции с отдельным понижающим или повышающим импульсным стабилизатором. В результате в статье утверждается, что импульсные блоки питания всегда будут дороже линейных блоков питания из-за двух каскадов. Однако современные блоки питания сочетают в себе оба этапа. В статье обсуждаются различные источники питания, в том числе импульсный блок питания мощностью 250 Вт, используемый в Honeywell h416R. В статье говорится, что импульсный стабилизатор питания достиг совершеннолетия благодаря новым достижениям в области быстродействующих и мощных транзисторов.На обложке изображен импульсный блок питания мощностью 500 Вт, который, согласно статье, не мог быть построен с транзисторами, доступными всего полтора года назад.

[22] Источник питания Bantam для мини-компьютера, Hewlett-Packard Journal , октябрь 1971 г. Подробная информация о схемах в патенте «Высокоэффективный источник питания» 3 852 655. Это автономный источник питания мощностью 492 Вт, использующий инверторы, за которыми следуют импульсные стабилизаторы на 20 В.

[23] HP2100A был представлен в 1971 году с импульсным источником питания (см. Основные характеристики HP2100A).Утверждается, что он имеет первый импульсный источник питания в миникомпьютере 25 лет работы в режиме реального времени, но PDP-11/20 был раньше.

[24] Компьютерная система питания для тяжелых условий эксплуатации, стр. 21, Hewlett-Packard Journal , октябрь 1974 г. В миникомпьютере 21MX использовался автономный импульсный пререгулятор мощностью 300 Вт для выработки регулируемого постоянного тока 160 В, который подавался на переключающие преобразователи постоянного тока в постоянный.

[25] Общее техническое руководство по данным Nova 2, 1974. В Nova 2/4 использовался импульсный стабилизатор для генерации 5 В и 15 В, в то время как в более крупном 2/10 использовался трансформатор постоянного напряжения.В руководстве говорится: «При более высоких потерях тока, связанных с компьютером, потери [от линейных регуляторов] могут стать чрезмерными, и по этой причине часто используется импульсный стабилизатор, как в NOVA 2/4».

[26] Модель 960B / 980B для обслуживания компьютеров Модель: источник питания В блоке питания миникомпьютера Texas Instruments 960B использовался импульсный стабилизатор для источника питания 5 В мощностью 150 Вт и линейные регуляторы для других напряжений. Импульсный стабилизатор состоит из двух параллельных понижающих преобразователей, работающих на частоте 60 кГц и использующих переключающие транзисторы 2N5302 NPN (введены в 1969 году).Поскольку транзисторы рассчитаны на максимальное напряжение 60 В, в блоке питания используется трансформатор для понижения напряжения до 35 В, которое подается на регулятор.

[27] Руководство по эксплуатации импульсных регулируемых источников питания M49-024 и M49-026, Interdata, 1974. Эти автономные полумостовые источники питания обеспечивали мощность 120 Вт или 250 Вт и использовались миникомпьютерами Interdata. В генераторе переключения используются микросхемы таймера 555 и 556.

[28] Блок питания 2640A, Hewlett-Packard Journal , июнь 1975 г., стр. 15.«Импульсный источник питания был выбран из-за его эффективности и занимаемой площади». Также техническая информация о терминале данных. Другой интересный момент — его корпус, отлитый из структурной пены (p23), который очень похож на пластиковый корпус Apple II (см. Стр. 73 из Steve Jobs ), и пару лет назад.

[29] «В сложных конструкциях большое значение имеет выбор источников питания», Electronics , Oct 1976, volume 49. p107-114. В этой длинной статье подробно рассматриваются источники питания, включая импульсные источники питания.Обратите внимание, что Selectric Composer сильно отличается от популярной пишущей машинки Selectric.

[30] Информационное руководство по обслуживанию портативного компьютера IBM 5100. IBM 5100 был портативным компьютером весом 50 фунтов, который использовал BASIC и APL, а также включал монитор и ленточный накопитель. Блок питания описан на стр. 4-61 как небольшой, высокомощный, высокочастотный импульсный импульсный стабилизатор, обеспечивающий 5 В, -5 В, 8,5 В, 12 В и -12 В.

[31] Настольный компьютер HP 9825A 1976 года использовал импульсный стабилизатор для источника питания 5 В.Он также использовал формованный корпус из пеноматериала, предшествующий Apple II; см. 98925A Product Design, Hewlett-Packard Journal , июнь 1976 г., стр. 5.

[32] Калькулятор среднего уровня обеспечивает большую мощность при меньших затратах, Hewlett-Packard Journal , июнь 1976 г. обсуждает импульсный источник питания 5 В, используемый в калькуляторе 9815A.

[33] Блок питания DEC H7420 описан в Decsystem 20 Power Supply System Description (1976). Он содержит 5 импульсных регуляторов для обеспечения нескольких напряжений и обеспечивает мощность около 700 Вт.В источнике питания используется большой трансформатор для снижения линейного напряжения до 25 В постоянного тока, которое передается на отдельные импульсные регуляторы, которые используют понижающую топологию для получения желаемого напряжения (+5, -5, +15 или +20).

Миникомпьютер decsystem 20 представлял собой большую систему, состоящую из трех шкафов размером с холодильник. Потребовалось внушительное трехфазное питание мощностью 21,6 кВт, которое регулируется комбинацией импульсных и линейных регуляторов. Он содержал семь источников питания H7420 и около 33 отдельных импульсных регуляторов, а также линейный стабилизатор для ЦП, который использовал -12 В постоянного тока при 490 А.

[34] Импульсные источники питания для телевизионных приемников стали набирать обороты примерно в 1975–1976 годах. Philips представила TDA2640 для телевизионных импульсных источников питания в 1975 году. Philips опубликовала книгу «Импульсные источники питания в телевизионных приемниках » в 1976 году. Одним из недостатков все более широкого использования импульсных источников питания в телевизорах было то, что они вызывали помехи с любительским радио, как обсуждалось в Wireless World, v82, p52, 1976.

[35] «Электронное управление мощностью и цифровые методы», Texas Instruments, 1976.В этой книге подробно рассматриваются импульсные источники питания.

В главе IV «Системы инвертора / преобразователя» описан простой источник обратноходового питания мощностью 120 Вт, использующий силовой транзистор BUY70B, управляемый тиристором. Следует отметить, что в этой схеме используется дополнительная первичная обмотка с диодом для возврата неиспользованной энергии источнику.

В главе V «Импульсные источники питания» описывается конструкция импульсного источника питания 5 В 800 Вт на основе автономного импульсного шунтирующего регулятора, за которым следует преобразователь постоянного тока в постоянный.Он также описывает довольно простой обратноходовой источник питания с несколькими выходами, управляемый SN76549, разработанный для цветного телевидения с большим экраном.

[36] Вехи развития силовой электроники, Ассоциация производителей источников энергии.

[37] В 1967 году RO Associates представила первый успешный импульсный источник питания, импульсный источник питания 20 кГц, 50 Вт, модель 210 (см. «RO сначала в импульсные источники питания», Electronic Business , Volume 9, 1983, p36 К 1976 году они претендовали на лидерство в производстве импульсных блоков питания.В их патенте 1969 года 3564384 «Высокоэффективный источник питания» описан полумостовой импульсный источник питания, который удивительно похож на источники питания ATX, популярные в 1990-х годах, за исключением схем усилителя, управляющих ШИМ, а не повсеместной микросхемы контроллера TL494.

[38] Компания Nippon Electronic Memory Industry Co (NEMIC, которая в итоге стала частью TDK-Lambda) начала разработку стандартизированных импульсных источников питания в 1970 году. История корпорации ТДК-Лямбда.

[39] «Я прогнозирую, что большинство компаний, после нескольких неудачных попыток в области источников питания, к концу 1972 года предложат ряд импульсных источников питания с приемлемыми характеристиками и ограничениями радиопомех.», стр. 46, Электронная инженерия, , том 44, 1972 г.

[40] Производитель блоков питания Coutant построил блок питания под названием Minic, используя «относительно новую технику импульсного стабилизатора». Инструментальная практика для управления технологическими процессами и автоматизации , Том 25, с471, 1971.

[41] «Импульсные источники питания выходят на рынок», стр. 71, Electronics & Power , февраль 1972 г. Первый «бестрансформаторный» импульсный источник питания появился на рынке Великобритании в 1972 году, APT SSU1050, который представлял собой регулируемый импульсный источник питания мощностью 500 Вт с использованием полумостовой топологии.Этот 70-фунтовый блок питания считался легким по сравнению с линейными блоками питания.

[42] В этой статье подробно рассказывается о импульсных источниках питания и описываются преимущества автономных источников питания. В нем описан миниатюрный импульсный источник питания полумоста MG5-20, созданный Advance Electronics. В статье говорится: «Широкое применение микроэлектронных устройств подчеркнуло огромное количество обычных источников питания. Переключающие преобразователи теперь стали жизнеспособными и предлагают заметную экономию в объеме и весе.» «Импульсные источники питания: почему и как», Малкольм Берчалл, технический директор, подразделение источников питания, Advance Electronics Ltd. Electronic Engineering , Volume 45, Sept 1973, p73-75.

[43] Высокоэффективные модульные источники питания с использованием импульсных регуляторов, Hewlett-Packard Journal , декабрь 1973 г., стр. 15-20. Серия 62600 обеспечивает мощность 300 Вт при использовании автономного импульсного источника питания с полумостовой топологией. Ключевым моментом было внедрение транзисторов на 400 В, 5 А с субмикросекундным временем переключения.«Полный импульсный регулируемый источник питания мощностью 300 Вт едва ли больше, чем просто силовой трансформатор эквивалентного источника с последовательным регулированием, и он весит меньше — 14,5 фунтов против 18 фунтов трансформатора».

[44] Сильноточный источник питания для систем, которые широко используют 5-вольтовую логику ИС, Hewlett-Packard Journal , апрель 1975 г., стр. 14-19. Импульсный источник питания 62605M мощностью 500 Вт для OEM-производителей, размер и вес которых составляет 1/3 и 1/5 от линейных источников питания. Использует автономную полумостовую топологию.

[45] Модульные источники питания: модели 63005C и 63315D: в этом источнике питания мощностью 110 Вт 5 В использовалась топология автономного прямого преобразователя и конвекционное охлаждение без вентилятора.

[46] «Проникновение коммутационных источников питания на рынок источников питания США вырастет с 8% в 1975 году до 19% к 1980 году. Это растущее проникновение соответствует мировой тенденции и представляет собой очень высокие темпы роста». Для такого прогнозируемого роста было указано несколько причин, в том числе «доступность более качественных компонентов, снижение […] общей стоимости и появление более мелких продуктов (таких как микрокомпьютеры), которые делают желательными меньшие блоки питания». Электроника, Том 49. 1976. Стр. 112, врезка «Что насчет будущего?»

[47] Сеймур Левин, «Импульсные регуляторы питания для повышения эффективности».»Electronic Design, 22 июня 1964 года. В этой статье описывается, как импульсные регуляторы могут повысить эффективность с менее чем 40 процентов до более чем 90 процентов с существенной экономией в размере, весе и стоимости.

[48] На обложке документа Electronic Design 13 от 21 июня 1976 г. написано: «Внезапно переключиться стало проще. Импульсные источники питания могут быть разработаны с использованием на 20-50 дискретных компонентов меньше, чем раньше. Одна ИС выполняет все функции управления, необходимые для двухтактный выходной дизайн.ИС называется регулирующим широтно-импульсным модулятором. Чтобы узнать, предпочитаете ли вы переключение, перейдите на страницу 125. «На странице 125 есть статья« Управление импульсным источником питания с помощью одной схемы LSI », в которой описаны ИС импульсных источников питания SG1524 и TL497.

[49] В 1976 году Powertec разместила двухстраничную рекламу, описывающую преимущества импульсных источников питания, под названием «Большой переход к коммутаторам». В этой рекламе описывались преимущества блоков питания: с удвоенной эффективностью они выделяли 1/9 тепла.Они имели 1/4 размера и веса. Это обеспечило повышенную надежность, работало в условиях обесточивания и могло выдерживать гораздо более длительные перебои в подаче электроэнергии. Powertec продала линейку импульсных блоков питания мощностью до 800 Вт. Они предложили импульсные источники питания для систем с дополнительной памятью, компьютерных мэйнфреймов, телефонных систем, дисплеев, настольных приборов и систем сбора данных. Страницы 130-131, Электроника v49, 1976.

[50] Byte magazine, p100 В июне 1976 года был анонсирован новый импульсный источник питания Boschert OL80, обеспечивающий 80 Вт при двухфунтовом блоке питания по сравнению с 16 фунтами для менее мощного линейного блока питания.Это также было объявлено в Microcomputer Digest, февраль 1976 г., стр. 12.

[51] Роберт Бошерт: Человек многих шляп меняет мир источников питания: он начал продавать импульсные источники питания в 1974 году, сосредоточившись на том, чтобы сделать импульсные источники питания простыми и недорогими. В заголовке говорится, что «Роберт Бошерт изобрел импульсный источник питания», что должно быть ошибкой редактора. В статье более обоснованно утверждается, что Бошерт изобрел недорогие импульсные источники питания для массового использования. В 1974 году он произвел в больших объемах недорогой импульсный источник питания.

[52] Руководство по техническому обслуживанию коммуникационного терминала Diablo Systems HyTerm модели 1610/1620 показаны двухтактный источник питания Boschert 1976 года и полумостовой источник питания LH Research 1979 года.

[53] Опыт Boschert с F-14 и спутниками рекламировался в рекламе Electronic Design , V25, 1977, где также упоминалось серийное производство для Diablo и Qume.

[54] Необычный импульсный источник питания использовался в компьютере HP 1000 A600 (см. Техническую и справочную документацию) (1983).Блок питания 440 Вт обеспечивал стандартные выходы 5 В, 12 В и -12 В, а также выход переменного тока 25 кГц 39 В, который использовался для распределения мощности на другие карты в системе, где она регулировалась. В автономном двухтактном источнике питания, разработанном Boschert, использовалась специальная микросхема HP IC, чем-то напоминающая TL494.

[55] В 1971 году для поддержки автономных импульсных источников питания были представлены многочисленные линейки переключающих транзисторов 450 В, такие как серия SVT450, серия 40850–4085 от RCA и серия 700V SVT7000.

[56] ШИМ: от одного чипа к гигантской отрасли, Power Electronics Technology , октябрь 2005 г. В этой статье описывается история создания ИС управления источником питания, от SG1524 в 1975 году до многомиллиардной отрасли.

[57] «Революция в конструкции источников питания, происходящая в настоящее время, не будет завершена до тех пор, пока трансформатор на 60 Гц не будет почти полностью заменен», — Вальтер Хиршберг, ACDC Electronics Inc., Калифорния. «Новые компоненты вызывают революцию в источниках питания», p49, Canadian Electronics Engineering , v 17, 1973.

[58] Импульсный и линейный источник питания, конструкция преобразователя мощности , Pressman 1977 «Импульсные регуляторы, которые совершают революцию в отрасли электроснабжения из-за их низких внутренних потерь, небольшого размера, веса и стоимости, конкурентоспособной по сравнению с традиционными последовательными или линейными источниками питания».

[59] Несколько источников питания Apple описаны в документе Apple Products Information Pkg: Astec Power Supplies (1982). Блок питания Apple II Astec AA11040 — это простой дискретный блок питания с обратным ходом и несколькими выходами.В нем используется переключающий транзистор 2SC1358. Выход 5 В сравнивается с стабилитроном и обратной связью управления и изолируется через трансформатор с двумя первичными обмотками и одной вторичной. В нем используется зажимная обмотка обратного диода.

AA11040-B (1980) имеет существенные модификации схемы обратной связи и управления. В нем используется переключающий транзистор 2SC1875 и источник опорного напряжения TL431. AA11040-B, по-видимому, использовался для Apple II + и Apple IIe (см. Форум hardwaresecrets.com).Шелкография на печатной плате источника питания говорит о том, что она защищена патентом 4323961, который, как оказалось, является «автономным источником питания постоянного тока с обратным ходом», разработанным Эллиотом Джозефсоном и переданным Astec. Схема в этом патенте в основном представляет собой немного упрощенный AA11040-B. Изолирующий трансформатор обратной связи имеет одну первичную и две вторичные обмотки, противоположные AA11040. Этот патент также напечатан на плате блока питания Osborne 1 (см. Разборку Osborne 1), которая также использует 2SC1875.

В Apple III Astec AA11190 используется фиксирующая обмотка обратного диода, но не схема запуска переменного тока Холта.Используется переключающий транзистор 2SC1358; схема обратной связи / управления очень похожа на AA11040-B. В источнике питания дисковода Apple III Profile AA11770 использовалась фиксирующая обмотка обратного диода, переключающий транзистор 2SC1875; опять же, схема обратной связи / управления очень похожа на AA11040-B. AA11771 аналогичен, но добавляет еще один TL431 для выхода AC ON.

Интересно, что в этом документе Apple перепечатывает десять страниц «Руководства по источникам питания постоянного тока» HP (версия 1978 года, используемая Apple), чтобы предоставить справочную информацию о импульсных источниках питания.

[60] Обратные преобразователи: твердотельное решение для недорогого импульсного источника питания, Electronics , декабрь 1978 г. В этой статье Роберта Бошерта описывается источник питания Boschert OL25, который представляет собой очень простой дискретно-компонентный источник обратноходового питания мощностью 25 Вт с 4 выходами. Он включает в себя зажимную обмотку обратного диода. Он использует источник опорного напряжения TL430 и оптоизолятор для обратной связи с выхода 5 В. В нем используется переключающий транзистор MJE13004.

[61] В Macintosh Performa 6320 использовалась микросхема контроллера SMPS AS3842, как видно на этом рисунке.AS3842 — это версия контроллера тока UC3842 от Astec, который был очень популярен для прямых преобразователей.

[62] Детали источника питания для iMac найти сложно, и используются разные источники питания, но, если собрать воедино различные источники, iMac G5, похоже, использует контроллер PFC TDA4863, пять силовых МОП-транзисторов 20N60C3, ШИМ-контроллер SG3845, напряжение TL431. ссылки и контроль мощности с помощью WT7515 и LM339. Также используется 5-контактный встроенный коммутатор TOP245, вероятно, для питания в режиме ожидания.

[63] Источник питания постоянного тока, №4130862. который был подан в феврале 1978 г. и выдан в декабре 1978 г. Блок питания, указанный в патенте, имеет некоторые существенные отличия от блока питания Apple II, созданного Astec. Большая часть управляющей логики находится на первичной стороне в патенте и вторичной стороне в фактическом источнике питания. Кроме того, в патенте обратная связь является оптической, и в ее источнике питания используется трансформатор. Блок питания Apple II не использует обратную связь по переменному току, описанную в патенте.

[64] Подробное обсуждение блока питания Apple II Plus можно найти на сайте applefritter.com. В описании источник питания ошибочно называется топологией прямого преобразователя, но это топология обратного хода. Неудобно, что это обсуждение не соответствует схемам блока питания Apple II Plus, которые я нашел. Заметные различия: в схеме используется трансформатор для обеспечения обратной связи, в то время как в обсуждении используется оптоизолятор. Кроме того, обсуждаемый источник питания использует вход переменного тока для запуска колебаний транзистора, а схема — нет.

[65] Яблоко III (1982 г.). Этот блок питания Apple III (050-0057-A) практически полностью отличается от блока питания Apple III AA11190. Это дискретный источник питания обратного хода с переключающим транзистором MJ8503, управляемым тиристором, фиксирующей обмоткой обратного хода и 4 выходами. Он использует схему запуска переменного тока Холта. Обратная связь переключения контролирует выход -5 В с операционным усилителем 741 и подключается через трансформатор. Он использует линейный регулятор на выходе -5 В.

[66] Яблочная Лиза (1983).Еще один дискретный источник питания с обратным ходом, но значительно более сложный, чем Apple II, с такими функциями, как резервное питание, дистанционное включение через симистор и выход +33 В. Для переключения в нем используется силовой транзистор MJ8505 NPN, управляемый тиристором. Он использует схему запуска переменного тока Холта. Обратная связь по переключению контролирует напряжение + 5 В (по сравнению с линейно регулируемым выходом -5 В) и подключается через трансформатор.

[67] Блок питания Macintosh. Этот источник питания с обратным ходом использует обмотку диодных зажимов и схему запуска переменного тока Холта.В нем используется переключающий транзистор 2SC2335, управляемый дискретным генератором. Коммутационная обратная связь контролирует выход +12 В с помощью стабилитронов и операционного усилителя LM324 и подключается через оптоизолятор.

[68] Схема Mac 128K, Обсуждение Mac Plus. Этот источник питания с обратным ходом использует обмотку диодных зажимов и схему запуска переменного тока Холта. В нем используется переключающий транзистор 2SC2810, управляемый дискретными компонентами. Обратная связь по переключению контролирует выход 12 В и подключается через оптоизолятор.Интересно, что в этом документе утверждается, что блок питания, как известно, был склонен к сбоям из-за того, что в нем не использовался вентилятор. Блок питания Mac Classic выглядит идентичным.

[69] TEAM ST-230WHF 230 Вт импульсный источник питания. Эта схема — единственный компьютерный блок питания стороннего производителя, который я обнаружил, который подает необработанный переменный ток в схему привода (см. R2), но я уверен, что это всего лишь ошибка чертежа. R2 должен подключаться к выходу диодного моста, а не к входу. Сравните с R3 в почти идентичной схеме привода в этом блоке питания ATX.

[70] Микропроцессоры и микрокомпьютеры и импульсные источники питания , Брайан Норрис, Texas Instruments, McGraw-Hill Company, 1978 г. В этой книге описываются импульсные источники питания для телевизоров, которые используют сигнал переменного тока для запуска колебаний.

[71] Блок питания жесткого диска Tandy (Astec AA11101). В этом обратноходовом источнике питания мощностью 180 Вт используется обмотка с зажимом диода. В нем используется переключающий транзистор 2SC1325A. В осцилляторе используются дискретные компоненты. Обратная связь от шины 5 В сравнивается с опорным напряжением TL431, а обратная связь использует трансформатор для изоляции.

[72] Блок питания Tandy 2000 (1983 г.). Этот источник питания с обратным ходом мощностью 95 Вт использует микросхему контроллера MC34060, переключающий транзистор MJE12005 и имеет обмотку фиксатора обратного хода. Он использует MC3425 для контроля напряжения, имеет линейный регулятор для выхода -12 В и обеспечивает обратную связь на основе выходного сигнала 5 В по сравнению с опорным сигналом TL431, проходящим через оптоизолятор. На выходе 12 В используется стабилизатор магнитного усилителя.

[73] В «Искусстве электроники» подробно обсуждается блок питания Tandy 2000 (стр. 362).

[74] Модель Commodore B128. В этом источнике питания обратного хода используется обмотка с зажимом диода. В нем используется переключающий транзистор MJE8501, управляемый дискретными компонентами, а обратная связь переключения контролирует выход 5 В с помощью опорного сигнала TL430 и изолирующего трансформатора. Выходы 12В и -12В используют линейные регуляторы.

[75] Tandy 6000 (Astec AA11082). В этом блоке питания с обратным ходом мощностью 140 Вт используется обмотка с зажимом диода. Схема представляет собой довольно сложную дискретную схему, поскольку в ней используется повышающая схема, описанная в патенте Astec 4326244, также разработанном Эллиотом Джозефсоном.В нем используется переключающий транзистор 2SC1325A. У него немного необычный выход 24 В. Один выход 12 В линейно регулируется LM317, а выход -12 В управляется линейным регулятором MC7912, но другой выход 12 В не имеет дополнительной регулировки. Обратная связь осуществляется с выхода 5 В с использованием источника напряжения TL431 и развязывающего трансформатора. Здесь есть красивая фотография блока питания.

[76] Документация на микросхему контроллера MC34060 (1982 г.).

[77] Руководство разработчика по переключению цепей и компонентов источника питания, Руководство по переключению режимов , Motorola Semiconductors Inc., Паб. № SG79, 1983. R J. Haver. Для обратного преобразователя фиксирующая обмотка описывается как дополнительная, но «обычно присутствует, чтобы позволить энергии, накопленной в реактивном сопротивлении утечки, безопасно возвращаться в линию вместо того, чтобы лавина переключающего транзистора».

[78] «Обеспечение надежной работы силовых полевых МОП-транзисторов», примечание к приложению Motorola 929, (1984) показывает источник питания с обратным ходом, использующий MC34060 с фиксирующей обмоткой и диодом. Его можно скачать с datasheets.org.uk.

[79] Для получения дополнительной информации о форвард-конвертерах см. История прямого преобразователя, журнал Switching Power Magazine , vol.1, No. 1, pp. 20-22, июл 2000 г.

[80] Первый импульсный преобразователь с диодной обмоткой был запатентован в 1956 году компанией Philips, патент 2,920,259 «Преобразователь постоянного тока».

[81] Другим патентом, показывающим обмотку с возвратной энергией с диодом, является патент Hewlett-Packard от 1967 года 3313998. Импульсно-регуляторный источник питания с цепью возврата энергии

[83] «Коммутационные блоки растут в чреве компьютеров», Электронный бизнес , том 9, июнь 1983 г., стр. 120-126. В этой статье подробно описывается бизнес-сторона импульсных источников питания. В то время как Astec была ведущим производителем импульсных блоков питания, Lambda была ведущим производителем блоков питания переменного и постоянного тока, поскольку продавала большие количества как линейных, так и импульсных источников питания.

[84] «Стандарты: переключение вовремя для поставок», Electronic Business Today , vol 11, p74, 1985. В этой статье говорится, что Astec является ведущим в мире производителем блоков питания и лидером в области импульсных блоков питания. Astec выросла почти исключительно на поставках блоков питания Apple. В этой статье также упоминаются компании-поставщики электроэнергии из «большой пятерки»: ACDC, Astec, Boschert, Lambda и Power One.

[85] Astec становится 100% дочерней компанией Emerson Electric, Business Wire , 7 апреля 1999 г.

[86] Отраслевой отчет о крупнейших энергоснабжающих компаниях за 2011 год — Power Electronics Industry News, v 189, март 2011 г., консультанты по микротехнике. Также, Энергетическая промышленность продолжает марш к консолидации, Power Electronics Technology, май 2007 обсуждает различные консолидации.

[87] Документация SAMS по фотофакту для IBM 5150 содержит подробную схему источника питания.

[88] В Википедии представлен обзор стандарта ATX. Официальная спецификация ATX находится в формфакторах.орг.

[89] ON Semiconductor имеет эталонные образцы блоков питания ATX, как и Fairchild. Некоторые ИС, разработанные специально для приложений ATX, — это SG6105 Power Supply Supervisor + Regulator + PWM, NCP1910 High Performance Combo Controller for ATX Power Supplies, ISL6506 Multiple Linear Power Controller with ACPI Control Interfaces, и SPX1580 Ultra Low Dropout Voltage Regulator.

[90] Корпорация Intel представила рекомендацию о коммутационном преобразователе постоянного тока рядом с процессором в документе Intel AP-523 Pentium Pro Processor Power Distribution Guidelines, в котором приведены подробные спецификации модуля регулятора напряжения (VRM).Подробная информация об образце VRM приведена в разделе «Заправка мегапроцессора — обзор конструкции преобразователя постоянного тока в постоянный ток» с использованием UC3886 и UC3910. Более свежие спецификации VRM содержатся в Рекомендациях по проектированию Intel Voltage Regulator Module (VRM) и Enterprise Voltage Regulator-Down (EVRD) 11 (2009).

[91] В таблице данных микропроцессоров R650X и R651X указано типичное значение рассеиваемой мощности 500 мВт.

[92] Технологии преобразования энергии для компьютерных, сетевых и телекоммуникационных систем питания — прошлое, настоящее и будущее, М.М. Йованович, Лаборатория силовой электроники Delta, Международная конференция по преобразованию энергии и приводам (IPCDC), Санкт-Петербург, Россия, 8-9 июня 2011 г.

[93] Программа 80 Plus описана в разделе «Сертифицированные источники питания и производители 80 PLUS», где описаны различные уровни 80 PLUS: бронзовый, серебряный, золотой, платиновый и титановый. Базовый уровень требует КПД не менее 80% при различных нагрузках, а более высокие уровни требуют все более высокого КПД. Первые блоки питания 80 PLUS вышли в 2005 году.

[94] Несколько случайных примеров источников питания, которые сначала генерируют всего 12 В и используют преобразователи постоянного тока для генерации выходных сигналов 5 В и 3,3 В: Эталонный дизайн высокоэффективного блока питания ATX 255 Вт от ON Semiconductor (80 Plus Silver), NZXT HALE82 power обзор блока питания, обзор блока питания SilverStone Nightjar.

[95] Источники питания используют только часть электроэнергии, подаваемой по линиям электропередач; это дает им плохой «коэффициент мощности», который тратит энергию и увеличивает нагрузку на нижние линии.Вы можете ожидать, что эта проблема возникает из-за быстрого включения и выключения импульсных источников питания. Однако плохой коэффициент мощности на самом деле происходит из-за начального выпрямления переменного и постоянного тока, которое использует только пики входного переменного напряжения.

[96] Основы коррекции коэффициента мощности (PFC), Примечание по применению 42047, Fairchild Semiconductor, 2004.

[97] Правильный выбор размеров и разработка эффективных источников питания утверждает, что активная коррекция коэффициента мощности добавляет около 1,50 доллара к стоимости источника питания мощностью 400 Вт, активный фиксатор добавляет 75 центов, а синхронное выпрямление добавляет 75 центов.

[98] Многие источники схем электроснабжения доступны в Интернете. Некоторые андизм danyk.wz.cz, а также smps.us. Несколько сайтов, которые предоставляют загрузку схем источников питания, — это eserviceinfo.com и elektrotany.com.

[99] Информацию о типовой конструкции блока питания ПК см. В FAQ по SMPS. В разделах «Описание Боба» и «Комментарии Стива» обсуждаются типичные блоки питания для ПК на 200 Вт, использующие микросхему TL494 и конструкцию полумоста.

[100] В тезисе 1991 г. говорится, что TL494 все еще использовался в большинстве импульсных блоков питания ПК (по состоянию на 1991 г.).Разработка импульсного источника питания 100 кГц (1991 г.). Мыс Техникон Тезисы и диссертации. Документ 138.

[101] Введение в двухтранзисторную прямую топологию для источников питания с эффективностью 80 PLUS, EE Times, 2007.

[102] hardwaresecrets.com заявляет, что CM6800 является самым популярным контроллером PFC / PWM. Это замена ML4800 и ML4824. CM6802 — более «зеленый» контроллер в том же семействе.

[103] Анатомия импульсных источников питания, Габриэль Торрес, Hardware Secrets, 2006.В этом учебном пособии очень подробно описывается работа и внутреннее устройство блоков питания ПК с подробными изображениями реальных внутренних устройств блока питания. Если вы хотите точно знать, что делает каждый конденсатор и транзистор в блоке питания, прочтите эту статью.

[104] Презентация источника питания ON Semiconductor’s Inside представляет собой подробное математическое руководство по принципам работы современных источников питания.

[105] Справочное руководство по источнику питания SWITCHMODE, ON Semiconductor. Это руководство содержит большое количество информации об источниках питания, топологиях и многих примерах реализации.

[106] Некоторые ссылки на цифровое управление питанием: «Дизайнеры обсуждают достоинства цифрового управления питанием», EE Times , декабрь 2006 г. Глобальный рынок ИС для цифрового управления питанием к 2017 году достигнет 1,0 миллиарда долларов. Системный контроллер цифровой ШИМ TI UCD9248. Эталонная схема цифрового питания переменного / постоянного тока с универсальным входом и коррекцией коэффициента мощности, EDN , апрель 2009 г.

[107] Руди Севернс, лауреат премии за выслугу лет, Power Electronics Technology , сентябрь 2008 г., стр. 40-43.

[108] Куда ушли все гуру ?, Power Electronics Technology , 2007. В этой статье обсуждается вклад многих новаторов в области источников питания, включая Сола Гиндоффа, Дика Вайза, Уолта Хиршберга, Роберта Окада, Роберта Бошерта, Стива Голдмана, Аллена Розенштейна, Уолли Херсома , Фил Кётч, Яг Чопра, Уолли Херсом, Патрицио Винчиарелли и Марти Шлехт.

[109] История разработки Холтом источника питания для Apple II впервые появилась в статье Пола Чиотти Revenge of the Nerds (не имеющей отношения к фильму) в журнале California в 1982 году.

Часть 2: Импульсный источник питания

SMPS (импульсные источники питания) правят сегодня, но существуют гораздо дольше, чем вы думаете.

Первые блоки питания с импульсным режимом, которые я увидел, были почти полностью транзисторными. Транзисторы были еще более очевидными, когда не было больших трансформаторов, за которыми можно было бы спрятаться, но трансформаторы все еще были из ламинированного железа, а частоты были довольно низкими.

Мы склонны думать, что современная электроника является новой, что старые технологии не могут делать то, что могут делать микросхемы и микроконтроллеры, но, долгое время работая с электричеством, я могу сказать вам, что электроника, возможно, облегчила жизнь, но электроника не изобретал жизнь.

Оглядываясь назад, я видел другой тип импульсного источника питания еще до этих транзисторных устройств — устройство, известное как инвертор люминесцентного света. У них было два переключающих транзистора TO3, относительно небольшой трансформатор, диод, несколько резисторов и один или два конденсатора, все они были установлены в литом радиаторе в виде корпуса.

Моя работа заключалась в том, чтобы отремонтировать их для QLD Railways, это была моя первая работа в области электроники примерно в 1975 году. Новые (тогда) вагоны из нержавеющей стали были оснащены современными люминесцентными лампами, которые хорошо зарекомендовали себя с тех пор, как Никола Тесла впервые изобрел их примерно в начале 20 века. 20 век; но они вообще не работали на 24 В постоянного тока.

Кто-то разработал эти умные маленькие коробочки для преобразования 24 В постоянного тока в 110 В переменного тока с частотой около 100 кГц, чего было достаточно для освещения стандартных бытовых люминесцентных ламп. Более того, инверторы были легко взломаны для работы от 12 В постоянного тока, что сделало их полезными для кемпинга — хотя мы никогда этого не сделаем!

Вот упрощенная версия схемы, возможно, для ностальгии, но, возможно, также для того, чтобы показать, как все было сделано до изобретения микроконтроллеров. Технически я помню, что эти инверторные схемы назывались «генераторами насыщения».

Начнем с того, что при включении смещение транзистора представляло собой просто резистор (R), подающий ток смещения, напряжение которого ограничивалось диодом с прямым смещением (D) до ~ 0,6 В.

Конденсатор вызывал постепенное повышение напряжения на диоде, поэтому напряжение смещения на двух транзисторах увеличивалось в течение нескольких миллисекунд.

Из любых двух транзисторов один всегда немного более чувствителен, чем другой, и тот, который включился первым (предположим, Q1), включился быстро, что привело к быстрому увеличению тока, протекающего в обмотке главного трансформатора на стороне T1.Результирующее магнитное поле в T1 вызвало преобразованное напряжение в каждой из других катушек. T1b способствовал смещению Q1, поэтому он включился еще сильнее, в то время как напряжение T2b было обратным смещением, поэтому Q2 фактически удерживался.

Когда трансформатор достиг насыщения (т. Е. Магнитное поле было полностью развито), смещение T1b упало до нуля, и Q1 медленно отключился. Смещение T2b к Q2 теперь увеличивалось, поэтому Q2 включился; также увеличивая смещение в T2b и следуя тому же циклу, что и Q1, до тех пор, пока не произойдет насыщение в противоположной полярности, и Q2 не отключится.

Каждый транзистор включается, а затем выключается, что мы называем «двухтактным» действием, что приводит к непрерывным колебаниям частоты, определяемой только током нагрузки и скоростью, с которой каждый полупериод достигает насыщения. Фактически, хотя частота была около 40 кГц, когда люминесцентная лампа горела и была стабильной, частота превышала 100 кГц при запуске, а напряжение также было намного выше, чем 110 В переменного тока, необходимое для работы ламп.

Вторичная обмотка трансформатора, T3, имеет напряжение, которое достигает, возможно, 800 В, когда лампа холодная и не горит, но две обмотки накала, 2 × T3f, вызывают ток в нитях трубки, который нагревает трубку и позволяет ограниченный ток, протекающий внутри трубки от конца до конца, заставляя свет светиться.Холодным утром трубки запускались бы медленнее, но я тоже!

Насыщение трансформатора также помогло округлить то, что в противном случае было бы прямоугольной волной, а другой дроссель и некоторая емкость были использованы для ограничения EMI (электромагнитных помех), которые генерируются инверторами.

Это можно считать началом миниатюрных (так называемых компактных) люминесцентных ламп, которые мы знаем как «КЛЛ». Если аккуратно разобрать перегоревший КЛЛ, отрезав два штифта и осторожно отодвинув пластиковый колпачок от стеклянной лампы, вы можете увидеть, что внутри цоколя находится транзисторная схема, которая работает примерно так же, как и старые инверторы. .

Два транзистора, которые, как я полагаю, являются полевыми транзисторами, хотя я не тестировал ни одного, чтобы доказать это, могут быть сконфигурированы в одной или аналогичной базовой схеме. Скорее всего, они образуют очень простой понижающий преобразователь, обеспечивающий более низкое напряжение, подходящее для освещения люминесцентной лампы, а также для ограничения тока до чего-то безопасного.

Примечание. Не пытайтесь включить цепь в разобранном виде, иначе вы можете обнаружить, что 340 В постоянного тока укусит даже больше, чем 240 В переменного тока!

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ LM555 В КАЧЕСТВЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА И ШИМ

Следующая схема основана на концептуальной схеме, используемой в некоторых колледжах TAFE для обучения студентов-электронщиков принципам работы контроллеров SMPS на основе общих LM555 и LM741.

Схема может подавать 5 В при 1,5 А от входа от 9 до 40 В при 1,5 А, плюс около 10 мА для ИС.

обычно используют управляемый напряжением элемент серии с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) для изменения выходного напряжения. Хотя могут быть подходящими несколько топологий вывода, в этом упражнении особенно интересны схемы управления для SMPS.

Существует множество микросхем, подходящих в качестве контроллеров SMPS; LM494, например, который использовался в миллионах компьютерных SMPS типа IBM.Некоторые микросхемы включают в себя все, кроме катушек индуктивности и фильтров.

В попытке описать функции как блоки, которые могут существовать внутри выделенной ИС, этот проект разработан, чтобы показать студентам и читателям, как работают блоки, как они связаны между собой и последствия внесения изменений, позволяя строителям схемы доработать схему. Здесь у нас есть демонстрация схемных блоков, которые все были разработаны на основе общедоступных деталей, уже используемых колледжами TAFE и в предыдущих лабораториях электроники.

МОЩНОСТЬ

Необработанное питание подключается к первому блоку, как правило, через переключатель и какую-либо защиту от перегрузки, такую ​​как плавкий предохранитель, и, возможно, защиту от перенапряжения. Защита от электромагнитных помех и всплесков также может использоваться в соответствии с ожидаемым видом обслуживания. Большая часть этих задач уже была выполнена, так как схема была запитана от источников питания BWD.

IC1 — НАСТОЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Первый блок схемы управления, даже в ИС, может повторять некоторые из этих защит внутри себя и может использовать какое-то регулирование напряжения для самого контроллера, но наш простой SMPS начинается с LM555 (IC1), подключенного как обычный Астабильный мультивибратор, который представляет собой простой генератор прямоугольной волны.

IC1 использует два резистора R1 = 10 кОм и R2 = 100 Ом и один конденсатор C1 = 1 нФ, чтобы установить частоту и обозначить пространственное отношение колебаний по формуле:

f = 1 / T = 1,44 / ((R1 + 2R2) × C), что дает расчетную частоту 141 кГц и соотношение метка / пробел 99: 1 (1%).

Для получения дополнительной информации о LM555 Astable существует множество интернет-сайтов, на которых есть калькулятор, готовый делать ваши расчеты за вас.

Есть еще один компонент, конденсатор 10 нФ, расположенный между контактом 5 и землей для стабилизации колебаний.Обратите внимание, что IC2 использует вывод 5 по-другому, и его назначение будет объяснено в следующем разделе.

IC2 — МОНОСТАБИЛЬНЫЙ МУЛЬТИВИБРАТОР

Второй блок принимает импульсы с вывода 3 IC1 на вывод 2 IC2, вывод триггера, через резистор 100 Ом в качестве небольшой защиты для входа второй микросхемы. Каждый импульс от IC1 заставляет IC2, второй LM555, включать вывод 3 на некоторое время в так называемом моностабильном режиме.

Контакт 3, в свою очередь, переключает Q1, последовательный транзистор, который может быть любым из множества технологий переключения, наиболее вероятными вариантами являются BJT и MOSFET.В этой схеме мы нарисовали общий символ полевого МОП-транзистора, которым может быть, например, IRF510.

Коммутируемый ток подается на L1, катушку индуктивности 68 мкГн и обратный диод 1N5811, за которым следует электролитический конденсатор C6 = 100 мкФ в качестве конечного фильтра для SMPS.

Схема является моностабильной, поскольку между контактами 6 и 7 микросхемы IC2 нет сопротивления. Период моностабильности определяется резистором R3 = 47k, а конденсатором C3 = 10nF.

Время работы моностабильного определяется по формуле:

Т (период) = 1.1 × R × C, = 1,1 × 47k × 10 нФ = 517 мкСм.

Однако есть второй фактор, влияющий на этот период, напряжение на выводе 5, которое будет генерироваться операционным усилителем IC3, которым может быть LM741 или аналогичный.

Контакт 5 подключен к цепи опорного напряжения внутри LM555 в точке, которая обычно составляет две трети напряжения питания (2/3 В постоянного тока).

Подача внешнего напряжения на этот вывод будет регулировать напряжение, при котором LM555 разряжается, тем самым сокращая период в соответствии с напряжением на выводе 5.

IC3 — УСИЛИТЕЛЬ ОШИБКИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Это напряжение обратной связи поступает от IC3, LM741 для этого эксперимента, и эти примечания относятся к классической схеме расположения выводов операционного усилителя.

Цепь опорного делителя R6 и R7 должна быть напрямую подключена к выходным клеммам, чтобы избежать помех и падений напряжения. Показанные значения делят выход SMPS на 4, что для выхода 5 В означает напряжение обратной связи 1,25 В, плюс или минус ошибку, которое подается на контакт 2 IC3, инвертирующий вход.

Контакт 3, неинвертирующий вход установлен на 1.25 В с помощью подходящего источника опорного напряжения, возможно, стабилитрона, пары сигнальных диодов с прямым смещением или, возможно, устройства опорного напряжения IC. Выбор зависит от желаемого уровня точности, но для этого эксперимента будет сложно превзойти даже никель-кадмиевый элемент на 1,2 В.

Источник опорного напряжения IC, такой как TL431, 1,25Vref, будет хорошим выбором, если вы намереваетесь встроить этот эксперимент в полномасштабный 5-вольтовый импульсный источник питания.

Разница между напряжением обратной связи и опорным напряжением буферизуется IC3, и то, что мы теперь называем «напряжением ошибки», подается на вывод 5 IC2, в результате чего период ШИМ изменяется в случае ошибки.Эта конфигурация вызывает меньший период ШИМ при увеличении выходного напряжения и более длительный период ШИМ при уменьшении выходного напряжения, тем самым исправляя ошибку посредством отрицательной обратной связи.

Для переменного выходного напряжения R6 может быть заменен потенциометром 10k, обеспечивающим выход SMPS между 1,25 В и 5 В и даже выше, если R7 будет уменьшен. Однако для работы цепи требуется напряжение питания постоянного тока, примерно в 1,5 раза превышающее выходное напряжение.

В лабораторном классе TAFE у студентов есть максимум два часа, чтобы смонтировать эту схему и протестировать ее, обычно поэтапно: IC1, затем добавление IC2, а затем IC3 и коммутационные компоненты.После завершения эксперимента они часто пробуют другие модификации схемы, проверяя свои собственные теории.

Какие эксперименты вы бы предприняли, чтобы модифицировать эту схему в соответствии с вашими требованиями? Возможно, переключаемый выход 3.3V / 5V? Как бы вы изменили схему, чтобы это произошло?

Надеюсь, вы понимаете, что это обучающая схема, а не проектный комплект; он предназначен для того, чтобы вы могли увидеть принципы, прежде чем пытаться спроектировать или отремонтировать другую схему.

Две микросхемы LM555 могут быть заменены одной микросхемой LM556, которая вмещает в себя две микросхемы 555. Вы можете уменьшить потери, используя все CMOS IC или операционные усилители на полевых транзисторах, такие как TL071 или TL081. Фактически, взлом раньше подразумевал разрезание существующих цепей и изменение их для выполнения других задач. Модификация этого эксперимента — это взлом оборудования.

LM555 ограничены напряжением шины 30 В, поэтому источник питания может управлять выходным напряжением 20 В. Однако что, если вам понадобится источник питания 60 В для другого эксперимента? Возможно, вам потребуется необработанное питание 100 В, но тогда питание LM555 и операционного усилителя будет слишком высоким.Вы можете использовать делитель напряжения и LM317, чтобы регулировать питание микросхем, всей схемы контроллера, если на то пошло, и подавать только более высокое напряжение на полевой МОП-транзистор.

Вам может потребоваться более высокий ток, который ограничен только Q1, L1 и C6. Q1 с более высоким номиналом требует низкого R _{DS (ON)} (сопротивление стока / источника), низкого V _GS (напряжение на затворе и источнике) и может работать с V _DSO (напряжение на стоке и открытое напряжение источника) более 40 В или больше напряжения питания.

Последний комментарий: ZD2 фиксирует любые всплески напряжения, например, возникающие при прекращении большого тока, в результате чего в индукторе остается большое магнитное поле. Вы должны выбрать ZD2 в соответствии с необходимым выходным напряжением. Для выхода 5 В используйте, например, стабилитрон 5,6 В.

SMPS может быть спроектирован и построен на основе традиционного трансформатора или индуктора с учетом того, что частота должна поддерживаться в пределах частотного диапазона трансформатора. Однако в SMPS обычно используются ферритовые тороидальные индукторы или, возможно, тороидные индукторы из железного порошка, если частота ниже 1 кГц.В более мощных ИИП могут даже использоваться «ленточные тороиды» с сердечником из коболтной стали, но для источников питания такого размера, как производитель, подходят ферриты.

Феррит и железный порошок — это две технологии, разработанные недавно, хотя им уже несколько десятилетий. Феррит можно охарактеризовать как «железную керамику», имеющую очень плотную магнитную структуру, что обеспечивает более высокие уровни проницаемости и мощности по сравнению с слоями листового железа. Феррит также является материалом с низкими потерями в железе, из-за чего трансформаторы в железе нагреваются и теряют энергию.

РАЗМЕР ИНДУКТОРА?

В SMPS для сглаживания тока используется индуктор, а не конденсатор, который сглаживает напряжение. Конечно, оба они часто используются для сглаживания выходного сигнала постоянного тока.

Катушки индуктивности накапливают энергию в потоке тока, создавая магнитное поле, пропорциональное квадрату тока. Требование к хранению энергии также пропорционально времени, которое необходимо использовать для возврата энергии. Следовательно, при увеличении частоты и тока размер катушки индуктивности уменьшается.

Здесь у нас есть схема, содержащая катушку индуктивности, управляемую переключателем и диодом [1] , для следующих графиков. Первая схема [1A] показывает нам T (включен), в то время как катушка индуктивности заряжена (т. Е. Накапливает энергию), а вторая [1B] показывает цепь во время T (выключено), когда катушка индуктивности разряжается (т. Е. возвращает свою энергию) в нагрузку.

Кривая [1C] показывает, что хотя T (вкл.) И T (выкл.) Обычно являются разными периодами, запасенная и возвращенная энергия, показанная в синих областях, одинакова в этих двух периодах.

Кривая [1D] показывает ток через переключатель, а кривая [1E] показывает ток через диод. Обратите внимание на быстро меняющиеся фронты коммутируемых токов, которые, как известно, вызывают искрение в механических переключателях.

Трасса [1F] отображает ток, протекающий через нагрузку, а диаграмма [1G] показывает напряжение на нагрузке.

Для расчета индуктивности необходимо вычислить запасенную энергию в один из следующих периодов: T (вкл.) Или T (выкл.).Энергия в электрических цепях может быть рассчитана как E = VIT, напряжение × ток × время. Однако обратите внимание, что нас интересуют только изменения напряжения и тока и только для одного из двух периодов: включения или выключения.

Мы также знаем, что энергия, запасенная в катушке индуктивности, может быть рассчитана из E = 1 / 2LI ² .

Следовательно, мы можем объединить эти две формулы, чтобы получить VIT = 1 / 2LI ² , помня, что значения в левой части — это изменения V и I, а I2 в правой части — это ток нагрузки.Формулы должны отражать это:

dVdIT _на = 1 / 2LI _L ²

Перестановка дает нам:

L = 2dVdIT _на / I _L ² .

Большинство производителей имеют аналогичную формулу в своих технических паспортах и ​​описание того, как получить и применить значения к их схемам. Многие теперь имеют набор программного обеспечения для проектирования, с которым вы можете работать, чтобы вычислить значения вашей схемы, даже не используя калькулятор.Строители иногда пробуют что-нибудь попроще. Они выбирают катушку индуктивности, которая, по их мнению, будет работать, и выдумывают ее значение, пока не будут довольны результатом.

Спроектировать собственный индуктор не так просто, как выбрать его из каталога электроники. Хотя вам может посчастливиться найти подходящий готовый индуктор в Интернете или у специализированного поставщика, вам может потребоваться приобрести 1000 из них!

Начните с выбора сердечника тороида. Сначала вы должны знать несколько параметров: расчетную индуктивность, постоянный ток и ток пульсации.Помните, что индуктор SMPS предназначен для преобразования высокочастотного импульсного источника питания в постоянный ток, поэтому вам также необходимо знать, в каком диапазоне частот индуктор должен работать.

Затем вам нужно выйти в Интернет или в справочники и выбрать размер и материал для тороида, убедившись, что на нем достаточно места для витков и диаметра провода, необходимого для необходимой вам индуктивности.

В техническом паспорте будет указано значение (AL) индуктивности в миллигенри или микрогенри для 100 витков, намотанных на этот сердечник.

Формула индуктивности — L = A _L × N ² /100 — может быть транспонирована для расчета количества витков:

N = 100√ (L / AL)

Например, для сердечника с индуктивностью 100 мкГн на 100 витков может потребоваться

N = 100√ (68/100) = 82 витка для 68 мкГн.

Примечание. Зависимость не является линейной из-за того, что индуктивность пропорциональна квадрату витков. Для заинтересованных есть несколько полезных ссылок в виде «Чтение и ресурсы».

В этом месяце мы решили кое-что сделать, так как в конструкциях с режимами переключения используются центральные интегральные схемы и компоненты, указанные в примечаниях по применению. Мы попытались показать, как работают детали, поэтому надеемся, что у вас будет лучшее представление при выборе или поиске неисправностей коммерческого источника питания.

Как вы, наверное, знаете, импульсные регуляторы 3V3 и 5V, работающие на гораздо более высоких частотах, доступны без индуктора и могут быть приобретены в простой упаковке.

В связи с продолжением применения приложений для прямого питания микроконтроллеров 3V3 и 5V, мы ожидаем, что их доступность будет продолжать расти, а стоимость, вероятно, продолжит снижаться. Со всеми нашими проектами Arduino и Raspberry Pi, наверное, это тоже здорово!

Двухтактный импульсный источник питания

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Разберитесь в работе двухтактного преобразователя постоянного тока в постоянный.
• Понимание работы типичного контроллера режима переключения I.C.
• • Транзисторы силовые переключающие.
• • Широтно-импульсный модулятор.
• • Защита от перегрузки по току и перенапряжения.
• • Измерение тока.
• Распознавать компоненты и методы, используемые для изоляции вывода.

Рис. 3.4.1 Блок-схема двухтактного ИИП

Двухтактный ИИП

Рис.3.4.1 показывает блок-схему импульсного источника питания, разработанного на базе усовершенствованного регулирующего широтно-импульсного модулятора UC3524 от Texas Instruments.

Схема представляет собой преобразователь постоянного тока в постоянный, использующий входное напряжение постоянного тока от 15 до 30 В и обеспечивающий регулируемый выходной сигнал 5 В при токе примерно до 250 мА. В схеме используется двухтактное переключение мощности, приводящее в действие высокочастотный трансформатор, который полностью изолирует выходную цепь от входа. Выход защищен от короткого замыкания, а выходное напряжение можно регулировать вручную.Максимальный ток также можно установить вручную с помощью регулируемого ограничения тока.

Первичный контур.

Генератор 100 кГц внутри IC1 (UC3524) генерирует импульсы, которые обрабатываются широтно-импульсным модулятором (внутри IC1), используемым для управления транзисторами переключения мощности. Ширина обрабатываемых импульсов возбуждения определяет продолжительность времени, в течение которого транзисторы переключения мощности проводят, и, следовательно, количество мощности, подаваемой на трансформатор.

Ширина импульса и, следовательно, выходное напряжение регулируются усилителем ошибки в IC1.Это измеряет разницу между выборкой выходного напряжения, возвращаемой через оптоизолятор, и опорным напряжением, установленным Vr1. Когда эти два напряжения равны, выходное напряжение схемы правильное. Если есть разница, ширина импульсов, создаваемых широтно-импульсным модулятором, увеличивается или уменьшается, чтобы исправить ошибку.

Защита от перегрузки по току обеспечивает отключение источника питания в случае слишком высокого потребления тока на выходе. Выходные клеммы можно даже закоротить, не повредив подачу питания.

Каждый импульс тока в силовых переключающих транзисторах создает импульс напряжения на чувствительном резисторе R12. Амплитуда этих импульсов пропорциональна току, подаваемому на трансформатор схемой переключения. Если пиковое значение любого из этих импульсов превышает напряжение постоянного тока, заданное параметром Vr2 (ограничение тока), то выходной сигнал от IC2 приведет к тому, что входной сигнал широтно-импульсного модулятора уменьшит ширину импульса, производимого модулятором в это время, мгновенно уменьшив выходное напряжение.Если условие перегрузки по току исчезнет, ​​выходное напряжение будет восстановлено до нормального уровня, но если ток нагрузки останется высоким, ограничитель тока продолжит уменьшать ширину импульса, в зависимости от величины перегрузки по току, даже до нуля в случай короткого замыкания на выходе.

Вторичный контур

Двухтактные переключающие транзисторы создают сигнал переменного тока через первичную обмотку трансформатора, а вторичная обмотка питает обычный двухполупериодный выпрямитель и LC-фильтр нижних частот, чтобы обеспечить нагрузку стабильным напряжением 5 В на выходных клеммах.Отрицательная обратная связь к цепи регулирования напряжения в IC1 осуществляется через оптоизолятор (IC3). Чем выше выходное напряжение, тем ярче свечение светодиода, закрытого на вторичной стороне, и тем больше выходное напряжение постоянного тока, получаемое от контакта 4 IC3 на первичной стороне устройства. Это напряжение используется в качестве выборки на инвертирующем входе усилителя ошибки в IC1, где оно сравнивается с напряжением от регулятора VR1 «установленного напряжения» для управления широтно-импульсным модулятором.

Описание схемы

Полная принципиальная схема схемы представлена ​​на рис.3.4.2.

Рис. 3.4.3 UC3524N (деталь детали)

Генератор внутри IC1 вырабатывает узкие импульсы 100 кГц (приблизительно), которые используются в качестве тактовых импульсов для логики переключения внутри IC1. Компоненты синхронизации для генератора — R3 и C2. Форма волны линейного изменения, создаваемая при заряде C2, также используется в качестве входа для инвертирующего входа компаратора в IC1.

Широтно-импульсный модулятор состоит из компаратора в IC1 и логической схемы переключения, которая состоит из бистабильного и двух трех входных вентилей ИЛИ-НЕ.Выходы этого блока подают импульсы переменной ширины на два транзистора Qa и Qb.

Усилитель ошибки сравнивает стабильное опорное напряжение на выводе 1 (установленное Vr1, подаваемым от внутреннего регулируемого напряжения 5 В от вывода 16) с образцом напряжения нагрузки, возникающего на эмиттерном резисторе оптоизолятора, R11. Результирующее напряжение ошибки используется как неинвертирующий вход для компаратора ШИМ.

Возможности UC3524, которые используются в этой схеме, более подробно показаны на рис.3.4.3 (Примечание: некоторые неиспользуемые возможности UC3524 опущены для ясности, для получения дополнительной информации см. Техническое описание Texas Instruments UC3524).

Широтно-импульсный модулятор

Рис. 3.4.4 UC3524N и осциллограммы первичной обмотки трансформатора

Действие широтно-импульсного модулятора, описываемое сигналами, показанными на рис. 3.4 4, выглядит следующим образом:

Тактовые импульсы (CK) от генератора подаются на бистабильный (триггер), который производит прямоугольную волну с соотношением метка / пространство 1: 1 и частотой 50 кГц (половина от частоты генератора) при его Q-выход и инвертированная версия этой волны на Q-выходе.

Выход Q обеспечивает вход в вентиль ИЛИ-НЕ a, а выход Q (противоположный Q) обеспечивает вход в вентиль ИЛИ-НЕ b. Логическое правило для логического элемента ИЛИ-НЕ состоит в том, что его выход будет высоким только тогда, когда все его три входа будут низкими. Обратите внимание, что сигналы Q и Q переходят в низкий уровень в начале альтернативных низких состояний тактового импульса. Тактовый сигнал также является входом для обоих вентилей ИЛИ-НЕ.

Третий вход для каждого логического элемента ИЛИ-НЕ обеспечивается выходом компаратора, который представляет собой серию импульсов низкого состояния переменной длительности, создаваемых путем сравнения напряжения ошибки постоянного тока от усилителя ошибки в IC1 с линейным изменением, создаваемым конденсатором синхронизации генератора. C2.

Когда каждый выход логического элемента ИЛИ-ИЛИ становится высоким, только когда все три его входных сигнала имеют низкий уровень, на базы внутренних транзисторов Qa и Qb подаются чередующиеся импульсы высокого состояния, ширина которых зависит от значения напряжения ошибки. Чем ниже значение напряжения ошибки (из-за более высокого значения напряжения «выборки» на выводе 1), тем уже генерируемые импульсы. Эти более узкие импульсы, когда используются для включения силовых переключающих транзисторов TR3 и Tr4, приведут к снижению мощности в трансформаторе и снижению напряжения нагрузки.

Цепи переключения мощности

Рис. 3.4.5 Ускорение выключения выключателя питания

Каждый из внутренних управляющих транзисторов Qa и Qb выдает серию импульсов на своем коллекторе и серию противофазных импульсов на своем эмиттере. Сигналы эмиттера a и b управляют транзисторами Tr3 и Tr4 переключения мощности соответственно, а сигналы коллектора управляют схемами повышения скорости Tr1 / Tr2.

Причина включения схем ускорения состоит в том, чтобы преодолеть задержку, которая обычно возникает из-за того, что, когда транзисторы Tr3 и Tr4 переключения мощности являются проводящими, их переход база / эмиттер (который, естественно, образует небольшой конденсатор из-за слоя обеднения между базой и эмиттерные слои в транзисторе) заряжены и должны быть разряжены, прежде чем транзистор полностью отключится.

Переходы силового транзистора быстро разряжаются при кратковременном включении Tr1 или Tr2 с использованием дифференцированного импульса, генерируемого нарастающим фронтом сигнала от коллектора Qa или Qb в IC1, что, конечно, происходит точно в тот же момент, что и Tr3 или Tr4. выключается, как показано на рис. 3.4.5.

Поскольку центральный отвод первичной обмотки трансформатора подключен к основному источнику (+ V _IN ), он всегда будет иметь потенциал питания. Напряжения коллектора Tr3 и Tr4 также будут на уровне + V _IN в периоды, когда оба транзистора выключены.

Во время импульса включения Tr3 его коллектор будет примерно на 0 В, и из-за центрального отвода первичной обмотки трансформатора нижняя половина первичной обмотки будет противофазна верхней половине, поэтому коллектор Tr4 будет положительным при удвоенном значении + V _IN в течение периода импульса включения Tr3. Эта ситуация меняется на обратную во время «включенного» импульса Tr4. Это действие создает сигнал ступенчатого типа с амплитудой + V _IN x 2 на первичной обмотке трансформатора, как показано на рисунке 3.4.4.

Вторичный контур

Результирующее вторичное напряжение выпрямляется D1 и D2 и сглаживается фильтром нижних частот L1 / C10 перед подачей на нагрузку. Образец напряжения нагрузки подается обратно на светодиод в оптоизоляторе IC3 через резистор ограничения тока светодиода R13.

Рис. 3.4.6 Типичный высокочастотный трансформатор

Из-за двухтактной конструкции, используемой в этой схеме, очень просто организовать такую ​​схему, имеющую несколько выходов.Различные (более высокие или более низкие) напряжения могут быть получены с помощью трансформатора, подобного тому, который показан на рис. 3.4.6, который имеет несколько вторичных обмоток с соответствующими отношениями витков.

Однако общий ток, подаваемый на несколько выходов, не должен превышать максимальный номинальный ток SMPS. Каждая линия питания будет иметь свой выпрямитель и систему фильтров, а также может включать дополнительную точку регулирования нагрузки. Выборка напряжения обычно берется только с одного из выходов, чтобы обеспечить обратную связь с широтно-импульсным модулятором, однако управление мощностью, подаваемой на первичную обмотку трансформатора, будет управлять всеми выходами напряжения.

Ограничение тока

Ограничение тока, которое способно полностью отключить схему в условиях экстремальной перегрузки, обеспечивается действием IC2 и отключающего транзистора между контактами 9 и 10 внутри IC1.

На вывод 3 IC2 подается стабильное опорное напряжение, получаемое от шунтирующего регулятора напряжения R7 / ZD1 через регулятор ограничения тока Vr2. Неинвертирующий вход IC2 подключен к низкоомному резистору R12, чувствительному к току, в эмиттерном выводе, общем для обоих переключающих транзисторов Tr3 / Tr4.

Каждый раз, когда какой-либо из транзисторов проводит ток, в результате большой ток эмиттера создает импульс напряжения на R12. Пиковое напряжение этого импульса будет пропорционально току эмиттера, протекающему в Tr3 / Tr4, и, следовательно, также и выходному току.

Если пиковое напряжение любого из этих импульсов, приложенных к неинвертирующему входу IC2, превышает стабилизированное постоянное напряжение на инвертирующем входе, на выходе будет сформирован положительный импульс и, следовательно, на базе Qc внутри IC1.Это приведет к падению напряжения на коллекторе этого транзистора, а также к уменьшению выходного сигнала усилителя ошибки, который управляет широтно-импульсным модулятором. Это действие приводит к уменьшению ширины генерируемого в данный момент импульса, таким образом мгновенно уменьшая выходное напряжение. Если перегрузка по току исчезнет, ​​широтно-импульсный модулятор вернется в нормальный режим работы. В противном случае последующие импульсы будут уменьшаться до тех пор, пока выходное напряжение не упадет (при необходимости) до нуля.

Однако срабатывание схемы ограничения тока не является абсолютно мгновенным из-за присутствия C4 на выводе компенсации отключения (9) IC1.Этот конденсатор имеет тенденцию интегрировать изменения напряжения на коллекторе отключающего транзистора, так что можно избежать очень быстрых (цикл за циклом) изменений выходного напряжения во время действия ограничителя тока.

6 Простая схема импульсного источника питания

Вы когда-нибудь задумывались, что означает «переключатель» в импульсном источнике питания? Если быть точным, что такое «включение» и «выключение»?

Как следует из названия, импульсный источник питания использует электронные переключающие устройства (например, транзисторы, полевые транзисторы, тиристоры и т. Д.).) для непрерывного включения и выключения электронных переключающих устройств через цепь управления. Что произошло дальше? Затем позвольте электронному коммутационному устройству импульсно модулировать входное напряжение для реализации преобразования постоянного / переменного тока, постоянного / постоянного напряжения, а также регулируемого выходного напряжения и автоматической стабилизации напряжения.

После того, как вы поймете основное определение импульсного источника питания, вы, возможно, захотите дополнительно изучить его применение и углубить свое понимание. Поэтому в этом блоге мы познакомим вас с 6 простыми схемами проектирования импульсных цепей питания.

Конечно, если у вас есть какие-либо вопросы по принципиальной схеме, оставьте свои вопросы в комментарии, и мы ответим вам восторженно и профессионально.

Видео об основах импульсных источников питания

Каталог

I Что такое импульсный источник питания

Импульсный источник питания (SMPS), также известный как импульсный источник питания и импульсный преобразователь, представляет собой высокочастотное устройство преобразования электрической энергии и тип источника питания.Его функция состоит в том, чтобы преобразовать уровень напряжения в напряжение или ток, требуемый пользователем, с помощью различных архитектурных форм.

II 6 Схемы импульсных источников питания

2.1 Простая схема импульсного источника питания

Эта схема несложна и может нормально работать без особых требований. В основном обращайте внимание на следующие моменты:

1. Отрегулируйте C3 и R5 так, чтобы частота колебаний составляла 30–45 кГц;
2. Необходимо стабилизировать выходное напряжение;
3. Выходной ток может достигать 500 мА.
4. Эффективная мощность 8 Вт, КПД 87%.

2.2 Импульсная цепь питания 24 В

24 В — это импульсный источник питания с высокочастотным инвертором. Трубка переключателя управляется схемой для проведения высокоскоростного прохода и отсечки, преобразования постоянного тока в высокочастотный переменный ток и подачи его на трансформатор для преобразования, тем самым генерируя требуемый один или несколько наборов напряжений.

Принцип работы импульсного источника питания 24 В:

1. Входная мощность переменного тока выпрямляется и фильтруется в постоянный ток;
2. Управляйте переключающей трубкой с помощью высокочастотного сигнала ШИМ (широтно-импульсной модуляции) и добавляйте этот постоянный ток к первичной обмотке переключающего трансформатора;
3. Во вторичной обмотке коммутирующего трансформатора индуцируется высокочастотное напряжение, которое выпрямляется, фильтруется и подается на нагрузку;
4. Выходная часть возвращается в схему управления через определенную схему для управления рабочим циклом ШИМ для достижения цели стабильного выхода.

2.3 Несимметричная прямая импульсная цепь питания

Типовая схема несимметричного импульсного источника питания прямого включения показана на рисунке ниже. Эта схема аналогична по форме несимметричной схеме обратного хода, но условия работы другие:

Когда трубка переключателя VT1 включена, VD2 также включен. В это время сеть передает энергию нагрузке, а катушка индуктивности L фильтра накапливает энергию;

Когда переключатель VT1 выключен, катушка индуктивности L продолжает отдавать энергию нагрузке через диод свободного хода VD3.

Также в цепи присутствует прижимная катушка и диод VD2. Диод может ограничивать максимальное напряжение на переключающей трубке VT1 в два раза выше напряжения источника питания. Чтобы соответствовать условию сброса магнитного сердечника, то есть время установления магнитного потока и время сброса должны быть одинаковыми, поэтому коэффициент заполнения импульса в цепи не может превышать 50%.

Поскольку эта схема передает энергию нагрузке через трансформатор, когда трубка переключателя VT1 включена, диапазон выходной мощности велик, и она может выходить мощностью 50-200 Вт.Однако практических применений этой схемы немного. Причина в том, что используемый в этой схеме трансформатор имеет сложную конструкцию и большой объем.

2,4 Двухтактная импульсная схема питания

Типовая схема двухтактного импульсного источника питания показана на рисунке ниже. Это двусторонняя схема преобразования, и магнитный сердечник высокочастотного трансформатора работает по обе стороны от петли гистерезиса. В схеме используются две коммутационные лампы VT1 и VT2.Две переключающие лампы попеременно включаются и выключаются под управлением прямоугольного сигнала внешнего возбуждения. Напряжение прямоугольной формы получается во вторичной группе трансформатора T, которое выпрямляется и фильтруется до необходимого постоянного напряжения.

Преимущество этой схемы состоит в том, что две переключающие лампы легко управлять, а главный недостаток заключается в том, что выдерживаемое напряжение переключающих трубок должно в два раза превышать пиковое напряжение схемы. Выходная мощность схемы относительно велика, обычно в пределах 100-500 Вт.

2,5 Схема развязки обратной связи по мощности

В импульсном источнике питания схема развязки обратной связи по мощности состоит из оптопары, такой как PC817, и шунтирующего стабилизатора TL431, и ее типичное применение показано на следующем рисунке. Когда выходное напряжение колеблется, измеренное напряжение, полученное после резистивного делителя, сравнивается с опорным напряжением запрещенной зоны 2,5 В в TL431, и на катоде формируется напряжение ошибки. Впоследствии рабочий ток светодиода в оптическом соединительном устройстве изменяется соответствующим образом.Таким образом, текущий размер управляющего вывода TOPSwitch может быть изменен с помощью оптического соединительного устройства, а затем может быть отрегулирован выходной коэффициент заполнения, так что Uo может оставаться неизменным для достижения цели стабилизации напряжения.

Роль и выбор основных компонентов в цепи обратной связи: Основная роль R1R4R5 заключается в работе с TL431 и устройством оптической связи. Среди них R1 — токоограничивающий резистор оптопары, а R4 и R5 — резисторы делителя напряжения TL431, которые обеспечивают необходимый рабочий ток для полной защиты TL431.

2,6 Инверторно-выпрямительная цепь

Схема использует микросхему генератора UC3842 в качестве ядра для формирования схемы инвертора и выпрямителя. UC3842 — это высокопроизводительная микросхема широтно-импульсного модулятора с несимметричным выходным током. Источник питания переменного тока 220 В подается через фильтр синфазных помех L1, который может лучше подавлять высокочастотные помехи от электросети и излучение самого источника питания. Напряжение переменного тока фильтруется схемой мостового выпрямителя и конденсатором C4, чтобы получить нестабильное постоянное напряжение около 280 В, которое служит схемой инвертора, состоящей из колебательного кристалла U1, переключающей трубки Q1, переключающего трансформатора T1 и других компонентов.

III Заключение

Выше представлены 6 простых схем импульсных источников питания, которые мы подготовили для вас. Есть ли что-нибудь, что я не понимаю или в чем сомневаюсь в процессе просмотра? Если да, не стесняйтесь оставлять свои мысли в области комментариев.

Советы по питанию: когда использовать переключатель питания BJT — Управление питанием — Технические статьи

На сегодняшний день уже почти предрешен вывод, что импульсный источник питания будет использовать полевой МОП-транзистор в качестве переключателя питания.Однако в некоторых случаях транзистор с биполярным переходом (BJT) все же может иметь преимущество перед MOSFET. В частности, в автономных источниках питания стоимость и высокое напряжение (более 1 кВ) являются двумя причинами использования BJT вместо MOSFET.

В источниках с обратным ходом малой мощности (3 Вт и меньше) трудно превзойти стоимость BJT. В больших объемах транзистор 13003 NPN может стоить всего 0,03 доллара. Это устройство может работать с напряжением 700 В VCE и может выдавать несколько 100 мА, не требуя чрезмерного базового тока.В случае BJT усиление и рассеиваемая мощность, как правило, ограничивают практическое использование в приложениях с низким энергопотреблением. На этих низких уровнях мощности разница в эффективности между MOSFET и BJT очень мала. На рисунке 1 ниже сравнивается эффективность двух аналогичных схем 5 В / 1 Вт. В одной конструкции PMP8968 используется полевой МОП-транзистор, а в другой, PMP9059, используется BJT. Это не совсем честное сравнение, потому что эти два источника питания были разработаны для работы с разными входными напряжениями, но оно показывает, насколько схожей может быть эффективность.

Рисунок 1: Эффективность конструкции MOSFET PMP8968 по сравнению с конструкцией PMP9059 BJT

Некоторые новые контроллеры фактически предназначены для управления BJT с целью предоставления решения с наименьшими затратами. В большинстве случаев контроллер с внешним BJT будет дешевле, чем контроллер со встроенным MOSFET. При проектировании с контроллером BJT необходимо убедиться, что базовая мощность и усиление BJT достаточны для обеспечения необходимого пикового тока в трансформаторе.

При несколько более высоких уровнях мощности разница в эффективности между полевым транзистором и биполярным транзистором становится более значительной из-за плохих характеристик переключения и падения напряжения биполярного транзистора. Тем не менее, BJT может по-прежнему предлагать преимущество в приложениях, которые работают от входного напряжения, превышающего стандартный диапазон 100–240 В переменного тока для жилых и коммерческих помещений. Промышленные приложения и измерители мощности — вот несколько примеров ситуаций, когда может потребоваться более высокое входное напряжение. Доступные по цене полевые МОП-транзисторы обычно не превышают 1 кВ.В некоторых приложениях для измерения мощности линейное напряжение может превышать 480 В переменного тока. После выпрямителя это дает напряжение более 680 В постоянного тока. При трехфазном входе оно может быть еще выше. Переключатель питания должен выдерживать это напряжение, а также отраженное выходное напряжение и выбросы утечки. В этих приложениях MOSFET может вообще не быть вариантом, оставляя BJT самым простым и недорогим решением (см. PMP9044, ссылка приведена ниже).

Коммутационные потери в BJT могут стать большой проблемой, поскольку уровень мощности увеличивается выше уровня 3 Вт, который мы обсуждали ранее.Использование каскодного соединения для управления BJT может решить эту проблему. На рисунке 2 ниже, от PMP7040, показано, как работает каскодное соединение. Основание BJT (Q1) привязано к шине VCC, а эмиттер опускается до низкого уровня, чтобы включить переключатель. Внутри UCC28610 низковольтный полевой МОП-транзистор подтягивает вывод DRV к низкому уровню, а внутренний датчик тока программирует пиковый ток переключения. Быстрое отключение обеспечивается внутренним полевым МОП-транзистором, поскольку он включен последовательно с внешним высоковольтным транзистором BJT.

Рисунок 2: Схема PMP7040, показывающая, как работает каскодное соединение

Таким образом, есть еще несколько причин, по которым BJT может иметь смысл в вашем источнике питания.В приложениях мощностью менее 3 Вт они могут предложить экономическое преимущество, не жертвуя слишком большой производительностью. При более высоких напряжениях они могут предложить больший выбор там, где выбор полевых МОП-транзисторов может быть ограничен. Мы также увидели, как каскодное соединение можно использовать для улучшения коммутационных характеристик BJT. Вот ссылки на несколько проектов в PowerLab, освещающие некоторые из этих аспектов…

Маломощный, недорогой обратный ход BJT:

• PMP9059 — вход 120 В переменного тока, 5 В / 200 мА
• PMP9074 — вход 85VAC-265VAC, 12В / 3Вт

Высокое входное напряжение, обратный ход BJT:

• PMP6741 — Вход 85Vdc-576Vdc, 24V / 12W
• PMP9044 — вход трехфазного переменного тока, 3.3 В / 0,5 А

Обратный ход BJT с каскодом:

• PMP6710 — Вход 85VAC-265VAC, 12В / 1A
• PMP7040.1 — Вход 147-400 В переменного тока, 20 В / 0,25 А

Надежный и усовершенствованный транзисторный импульсный источник питания на сертифицированных продуктах

 Выберите из обширного ассортимента высокопроизводительных, оригинальных, надежных и мощных транзисторных импульсных источников питания   на Alibaba.com для нескольких жилых домов и коммерческие нужды.Все продукты, предлагаемые на сайте, имеют высокое качество и сертифицированы регулирующими органами. Продукты, перечисленные на сайте, не только ориентированы на производительность, но и чрезвычайно долговечны, могут выдерживать все виды суровых условий эксплуатации и обеспечивать стабильную производительность на протяжении многих лет. Ведущие транзисторные импульсные блоки питания  Поставщики и оптовые продавцы  на сайте предлагают эти продукты по невероятным ценам и огромным скидкам.
 Разнообразная коллекция этих невероятных транзисторных импульсных источников питания   включает различные разновидности продуктов, которые могут включать и управлять всеми типами бытовой и коммерческой техники.Эти продукты являются энергоэффективными и, следовательно, помогают сэкономить на счетах за электроэнергию. Эти расходные материалы являются экологически чистыми, а также имеют варианты с покрытием из никеля, меди, стали и золота.
No related posts.