Импульсный источник питания: Импульсные блоки питания

Содержание

Импульсные блоки питания

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

Виды блоков питания

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

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

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

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

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

Преимущества и недостатки импульсных блоков питания

Основные преимущества ИБП:

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

Недостатками ИБП являются:

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

Принцип работы импульсного источника питания

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

Схематически устройство можно представить как совокупность трех цепей:

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

Взаимодействие элементов импульсного БП происходит по следующей схеме:

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

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

Виды импульсных блоков питания

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

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

Принципиальная схема импульсного блока питания

Основные элементы импульсных блоков питания:

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

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

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

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

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

Функция выходного фильтра – уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения.

Сферы применения импульсных блоков питания

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

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

Импульсные блоки питания — устройство, применение, неисправности и ремонт

Среди всех блоков питания можно выделить два основных типа:

  • линейные;
  • импульсные (инверторные) источники.

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

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

Основные отличия импульсных стабилизаторов.

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

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

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

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

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Импульсный блок питания состоит из следующих элементов:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

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

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

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

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

ТИПОВЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И РЕМОНТ

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

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

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

Наиболее часто неисправности импульсных блоков питания вызываются:

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

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

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

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

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

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

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

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

Внимание!

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

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

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

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

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

© 2012-2020 г. Все права защищены.

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


Импульсные блоки питания.Виды и работа.Особенности и применение

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

Схема работы ИБП

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

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:
  • Быстрое восстановление, что дает возможность иметь малые потери.
  • Малое падение напряжения. Для снижения напряжения выхода применяют транзистор, в нем выпрямляется основная часть напряжения.

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

Схема импульсного блока минимального размера

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

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

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

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

Особенности лабораторных блоков

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

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

Применение импульсных блоков

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

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

Достоинства и недостатки
ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:
  • Небольшой вес.
  • Увеличенный КПД.
  • Небольшая стоимость.
  • Интервал напряжения питания шире.
  • Встроенные защитные блокировки.

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

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

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

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

Недостатки

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

Импульсные блоки питания не рекомендуется подключать как с низкой нагрузкой, так и с высокой.

Если на выходе резко упадет ток ниже установленного предела, то запуск может оказаться невозможным, а питание будет с искажениями данных, которые не подходят к диапазону работ.
Похожие темы:

Импульсные источники питания Общие тенденции и преимущества

В рубрику «Пожарная безопасность» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Одним из важнейших компонентов любой низковольтной системы являются источники питания. Этот сегмент рынка, как и многие другие в сфере производства систем безопасности, находится в постоянном развитии и совершенствовании: идут процессы уменьшения габаритов, улучшения характеристик, адаптации под условия российских сетей и т.д. Какие же преимущества открывают перед пользователем импульсные источники питания и какие продукты существуют в данном сегменте?

Общие проблемы питания любой аппаратуры:

  • глобальные перепады напряжения в сети;
  • потери на проводах отдаленных узлов системы, что особенно характерно для крупных объектов;
  • помехи и наводки одними узлами системы на другие от общего источника (проблемы электромагнитной совместимости).

Все эти проблемы с успехом решаются с помощью современных модификаций импульсных источников питания, которые все больше вытесняют с рынка традиционные трансформаторные (линейные) блоки питания. За примерами далеко ходить не надо – обратите внимание на источник питания, установленный в вашем компьютере или другой оргтехнике, на зарядное устройство мобильного телефона, блок питания, идущий в комплекте к любому бытовому устройству. Подавляющее большинство – импульсные источники питания. И это не случайно. Все больше и больше производителей электротехники отдают им предпочтение, считая надежными, технологичными и удобными в эксплуатации.


Производство современных импульсных источников питания предусматривает более качественную и надежную элементную базу, высокий уровень производственных мощностей, соблюдение технологий, новое оборудование для тестирования параметров в процессе производства, выходной контроль качества, а также глубокое понимание специфики работы электросетей в условиях российской действительности. В настоящее время при соблюдении вышеназванных требований и грамотном подходе к разработке схемотехники и конструктива изделие будет успешным на рынке.

Преимущества импульсных блоков

Широкий диапазон входных напряжений (от 80 до 265 В) при неизменных выходных параметрах
В нашей стране перепады напряжения в сети (особенно в сельской местности) – серьезная проблема, хотя, согласно существующему ГОСТу на электросети в РФ, напряжение должно быть в пределах 220 В (+-1105%), то есть в диапазоне от 187 до 242 В. Любой блок питания должен обеспечивать все указанные параметры в этом диапазоне входных напряжений. Это далеко не простая задача, особенно для мощных блоков, потому что при минимальном напряжении на входе и максимальном токе на выходе блок должен сохранить стабильность выходного напряжения, а при максимальном уровне напряжения в сети и максимальном токе нагрузки – не выйти из строя из-за перегрева при максимально допустимой температуре окружающей среды. Необходимо также учитывать кратковременные падения напряжения в сети, связанные с подключением мощных энергопотребителей.

Многие производители лукавят, указывая в паспорте более узкий диапазон входных напряжений, хотя известно, что во многих регионах РФ 190 В в сети – норма.

Более совершенная схемотехника высокочастотного преобразования (КПД до 95%)
Большинство потерь в импульсных источниках питания связано с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном устойчивом состоянии (включен или выключен), потери энергии минимальны. Трансформаторным (линейным) источникам питания для стабильности выходного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.

Качество выходного напряжения по шумам и электрическим наводкам позволяет одновременно осуществлять электропитание разного типа нагрузок
К источнику питания может быть подключена и нагрузка, работающая в линейном режиме, и нагрузка, работающая в динамическом режиме. В этом случае для стабилизации выходных параметров источника питания необходимо применение фильтров различного типа (индуктивных и емкостных) в выходной цепи.

Стабильность выходных параметров в широком температурном диапазоне
Особенно это касается выходного тока и напряжения. Еще одним элементом манипулирования цифрами со стороны производителя блоков является выходной ток: в паспорте на изделие зачастую указывается максимальный вместо номинального. При работе на максимальную нагрузку через непродолжительное время в блоке в лучшем случае срабатывает температурная защита (если она имеется). А чаще всего при продолжительной работе в режиме повышенной температуры компоненты блока с течением времени значительно теряют свои параметры, что особенно характерно для электролитических конденсаторов, емкость которых существенно понижается, что, в свою очередь, ведет к увеличению уровня выходных пульсаций. Номинальный же ток нагрузки – это ток, который должен отдаваться в нагрузку всегда независимо от обстоятельств, на протяжении длительного времени и при сохранении указанного уровня пульсаций.

Компенсация выходного напряжения при работе нагрузки на длинных линиях
Оборудование, подключаемое к источнику питания, рассчитано на определенное номинальное напряжение. Поскольку оно может находиться на значительном расстоянии от источника питания, то важным фактором являются потери в проводах. Компенсировать их можно путем увеличения сечения провода от источника питания до оборудования или с помощью под-строечного резистора, который позволит увеличить напряжение на выходе источника питания.

Значительно меньшие габариты и вес в сравнении с аналогичным по мощности линейным блоком питания (особенно это касается мощных линейных блоков)
При повышении частоты используются трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных, тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме.

Значительно меньшая стоимость изделий в производстве, что в конечном итоге отражается на цене для потребителя
В импульсных источниках питания отсутствует дорогостоящий низкочастотный трансформатор, который составляет большую часть стоимости линейных блоков питания.

Источники бесперебойного питания ACCORDTEC Все многообразие моделей источников питания торговой марки ACCORDTEC (Россия) выполнено на основе импульсных блоков питания. Высокие стандарты качества подтверждены проведенными испытаниями в рамках получения пожарного сертификата и сертификатов соответствия. Линейка включает в себя как источники бесперебойного питания, так и сетевые адаптеры.

Основные модели

ББП-20 – экономичный источник питания. Предназначен для питания нагрузки напряжением 12 В с током потребления не более 2 А. Данный источник питания может идти от сети переменного тока с напряжением от 80 до 265 В. Максимальный ток нагрузки – 2,5 А. ББП-20 имеет встроенную электронную защиту по выходу от короткого замыкания и превышения тока нагрузки. Цепь аккумулятора защищена предохранителем. Имеет индикацию наличия сети и индикацию наличия 12 В на выходе. Для компенсации падения выходного напряжения на соединительных проводах предусмотрена регулировка напряжения на выходе в диапазоне от 12 до 15 В.

ББП-30 предназначен для питания нагрузки напряжением 12 В с током потребления 3 А. Максимальный ток нагрузки – 4,9 А. Данный блок бесперебойного питания имеет встроенную электронную защиту от короткого замыкания и превышения нагрузки по току и мощности. ББП-30 также имеет функцию защиты АКБ от глубокого разряда.


Обычный свинцовый 12-вольтовый аккумулятор при глубоком разряде и падении напряжения около 10 В выходит из строя из-за необратимых химических изменений. Однако этого недостатка лишены герметичные необслуживаемые АКБ с гелевым электролитом. Эти батареи (от производителей, поставляющих качественную продукцию) выдерживают до 200 циклов глубокого разряда, более того, 50–60 циклов «заряд – разряд» являются хорошей тренировкой АКБ и даже поднимают ее емкость.

Тем не менее считается, что необходимо встраивать в источник бесперебойного питания схему отключения АКБ при достижении опасного порога глубокого разряда. Связано это с тем, что на рынке появилось множество моделей АКБ китайского производства, которые из-за применения более дешевых технологий и материалов едва выдерживают несколько циклов. Устройства защиты выполняются на базе реле или мощного полевого транзистора, так как применение дешевых биполярных транзисторов в качестве ключей приводит к дополнительному падению напряжения на ключе и, как следствие, к сокращению времени резервной работы.

В ББП-30 имеются две спаренные колодки для подключения нагрузки, облегчающие процесс монтажа. Для компенсации падения выходного напряжения на соединительных проводах предусмотрена регулировка напряжения на выходе в диапазоне от 12 до 15 В. ББП-30 поставляется в настоящий момент в трех исполнениях: без корпуса, в корпусе для установки АКБ до 7 А/ч и в корпусе для установки АКБ 17 A/ч.

ББП-80 – функциональный аналог ББП-30, предназначенный для питания нагрузки напряжением 12 В с током потребления 8 А. Максимальный ток нагрузки – 10 А.


Поставляется в двух исполнениях: без корпуса и в корпусе для установки АКБ 17 A/ч. ББП-80 может работать с АКБ до 33 А/ч.

Сетевые адаптеры серии ACCORDTEC

Сетевые адаптеры серии ACCORDTEC включают в себя бюджетный вариант аналогов трансформаторных блоков. Модели AT-12/15, AT-12/30 предназначены для питания нагрузки постоянным напряжением 12 В с током потребления 1,5 и 3 А соответственно. Имеют электронную защиту по выходу от короткого замыкания и превышения по току и мощности. Для компенсации падения выходного напряжения на соединительных проводах предусмотрена регулировка напряжения на выходе в диапазоне от 12 до 15 В.

Данные источники питания выпускаются в стандартном исполнении, а также в корпусе для крепления на DIN-рейку. Блоки с таким креплением предназначены для установки в электротехнические шкафы и боксы. В линейке блоков питания ACCORDTEC имеется также адаптер для питания нагрузки напряжением 24 В и с током потребления не более 3 А. Модель AT-12/05 – сетевой адаптер для питания оборудования напряжением 12 В и током потребления не более 0,5 А. Для подключения нагрузки предусмотрен кабель со штырьковым разъемом.

Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #5, 2010
Посещений: 12865

В рубрику «Пожарная безопасность» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Как работает импульсный блок питания ⋆ diodov.net

Подробно рассмотрим, как работает импульсный блок питания (ИБП) любого типа. Сегодня такие компоненты являются основными источниками электрической энергии любой электронной аппаратуры. Аудио аппаратуру мы в счет не берем. Там по-прежнему доминируют линейные или трансформаторные блоки питания.

Концепция ИБП известна давно. Однако реализация ее стала возможной относительно недавно. Этому способствовало появление управляемых полупроводниковых ключей с требуемыми характеристиками. В первую очередь речь идет о полевых транзисторах MOSFET. Сегодня MOSFET вытеснили практически все другие управляемые полупроводниковые приборы в области преобразователей электрической энергии малой и средней мощности. В преобразователях большой мощности лидирующие позиции занимают IGBT транзисторы, а также некоторые виды тиристоров.

Главное и неоспоримое преимущество импульсных блоков питания по сравнению с линейными (трансформаторными) БП – это значительно меньший вес и габариты при равных мощностях. Для сравнения можно взять импульсный блок питания компьютера мощностью 500 Вт и только один трансформатор мощностью 500 ВА. Разница, особенно по массе, будет ощутима.

Существует много схем ИБП. Однако все они сводятся к тому, чтобы снизить в первую очередь массу и габариты трансформатора. Почему именно трансформатора? Потому что он является самым громоздким, тяжелым и дорогим элемент блока питания.

Чтобы хорошо представлять, как работает импульсный блок питания, сначала рассмотрим классическую схему линейного БП.

Схема линейного блока питания

Основные задачи любого промышленного БП заключаются в снижении переменного напряжения 220 В (230 В) до требуемой величины, затем его выпрямление, сглаживание и стабилизация.

Поэтому любая схема линейного бока питания обязательно содержат как минимум следующие элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, узел стабилизации. Назначение каждого элемента было более полно рассказано здесь.

Теперь, глядя на составляющие функциональной схемы линейного БП, давайте рассуждать, какие элементы приводят к росту его массы и веса. В качестве выпрямителя чаще служит диодный мост. Снизить его размеров не даст особого эффекта. Да и реализовать этот будет затруднительно.

Узел стабилизации может быть реализован по-разному. Поэтому на нем мы тоже сэкономить мало что сможем. Остаются только два элемента: фильтр и трансформатор. Фильтр представляет собой электролитический конденсатор большой емкости. Но изменение его параметров, как мы увидим далее, не позволит получить сколь-нибудь ощутимый выигрыш. Остается исследовать возможности способы минимизации трансформатора.

Основная задача его заключается в передаче мощности со стороны источника высокого на сторону низкого напряжения. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку высоковольтных с низковольтными цепями. Гальваническая развязка необходима для преимущественного большинства устройств по условиям безопасности, как персонала, так и низковольтного оборудования. А трансформатор, как никакой другой элемент выполняет эти и другие условия. При этом он имеет максимальный коэффициент полезного действия, достигающий 99 %. По этой причине ему до сих пор не могут найти альтернативу, за что приходится расплачиваться повышенной массой и размерами в целом БП.

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли вообще обойтись без трансформатора? Здесь ответ неоднозначный. И можно и нельзя. Более того, существуют безтрансформаторные источники питания. Для снижения напряжения применяют конденсатор. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство благополучно используется. Однако реактивное сопротивление конденсатора зависит обратно пропорционально от его емкости. Поэтому с увеличением нагрузки необходимо применять конденсатор большей емкости, что очень сказывается на его размерах. Кроме того возрастает его цена, поскольку он должен быть рассчитан на 400…450 В. Помимо всего прочего, использование реактивного сопротивления негативно влияет на качестве электроэнергии питающей сети. Снижается коэффициент мощности cosφ. Но самый главный недостаток заключается в отсутствии гальванической развязки. Это исключает применение подобных схем в преимущественном большинстве радиоэлектронной аппаратуре.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Так вот, мощность любого узла ИБП определяется всего двумя параметрами: напряжением и током.

P = U∙I.

Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением тока на напряжение. Поэтому давайте рассмотрим, как зависят габариты Т от величины приложенного U и протекающего I. Возможно, здесь у нас получится на что-то повлиять.

Напряжение или, точнее говоря, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, количеством витков w и магнитным потоком Φ.

E = 4,44∙f∙w∙Φ

Коэффициент 4,44 уберем для упрочения, поскольку он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных блоках питания, где форма сигнала имеет вид прямоугольника, это коэффициент имеет другое значение.

E ~ f∙w∙Φ

Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

E ~ f∙w∙B∙Sс

Давайте поразмыслим над этой формулой с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмотками. Упрощенно говоря, мы можем вполне обосновано сказать, что габариты сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А габариты обмотки зависят от числа витков w.

Теперь становится очевидно, что для сохранения прежней величины электродвижущей силы E при снижении числа витков w и площади поперечного сечения Sс, а соответственно и габаритов трансформатора, необходимо повышать или частоту или индукцию или эти два параметра одновременно.

Преимущественное большинство сердечников промышленных трансформаторов выполняются из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Выше только у чистого железа, обладающего максимально возможной индукцией из всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Тл. К сожалению, чистое железо не пригодно к использованию в электромагнитных устройствах вследствие сильных потерь энергии при перемагничивании.

Альтернативные магнитные материалы

Также в ряде стран применяется пермаллой. Пермаллой имеет несколько меньшую индукцию, чем электротехническая стать, но обладает большим электрическим сопротивлением. Благодаря чему снижаются потери на вихревые токи, а соответственно и потери холостого хода.

Относительно недавно на рынке в доступной цене появились аморфные и нанокристаллические сплавы. Они обладают высоким электрическим сопротивлением, при этом индукция их приближается к электротехническим сплавам. Кроме того они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но на этом мы здесь останавливаться не будем.

Однако индукция известных на сегодняшний день магнитных материалов и сплавов не достигает величины, значительно превосходящей индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Поэтому сейчас невозможно существенно снизить габариты электромагнитного устройства за счет применения новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое снижение массы и размеров – это повышение частоты f переменного тока.

Как работает импульсный блок питания электронных устройств

Мы знаем, что в сети 220 В или 230 В f равна 50 Гц, отсюда возникает вопрос: как ее повысить? А делается это следующим образом. Сначала переменное напряжение 220 В, 50 Гц выпрямляется с помощью обычного диодного моста. Затем оно сглаживается электролитическим конденсатором большей емкости. Далее сглаженное напряжение снова преобразуется в переменное, но уже значительно большей частоты. В современных импульсных блоках питания она составляет порядка единиц мегагерц. И уже это высокочастотное напряжение подается на обмотку трансформатора. Это позволяет значительно снизить его размеры при сохранении прежнего значения электродвижущей силы. Затем сниженное напряжение со вторичной обмотки снова выпрямляется, сглаживается, и стабилизируется.

Постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью инвертора. Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Поэтому на входе первого выпрямителя обязательно устанавливают дроссель для снижения уровня пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для борьбы и электромагнитными импульсами, ИБП полностью экранируют.

Именно по причине этих пульсаций ИБП не применяются в аудиотехнике. В первую очередь это относиться к усилителям звука. Они вместе с полезным аудиосигналом могут усилить и помехи или пульсации, создаваемые полупроводниковыми приборами, работающими в ключевом режиме. В конечном итоге это негативно отобразится на качестве звука.

Сечение провода тр-ра по-прежнему рассчитывается на аналогичный ток. Однако в качестве магнитопровода электротехническая сталь не применяется, поскольку на высоких частотах возникают сильных потери энергии, вызванные действием вихревых токов. Поэтому применяют магнитные материалы с максимально высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различного рода магнитодиэлектрики.

ШИМ-контроллер

Работой полупроводниковых приборов инвертора управляет ШИМ-контроллер. ШИМ-контроллер может выполняться в виде отдельной микросхемы или в едином корпусе с полупроводниковыми ключами. Для поддержания заданного уровня напряжения на нагрузке в не зависимости от изменения ее параметров и других воздействующих факторов, необходимо изменять параметры широтно-импульсной модуляции. За это отвечает ШИМ-контроллер, который получает сигнал по обратной связи. В качестве элемента, образующего обратную связь применяется оптопара. Может применяться и другой радиоэлектронный элемент, как правило, способный осуществить гальваническую развязку.

Теперь должно быть понятно, как работает импульсный блок питания. Его схема состоит из входного фильтра, входного выпрямителя, сглаживающего входного фильтра, инвертора, импульсного трансформатора, выходного выпрямителя и выходного фильтра.

В качестве входного фильтра применяется дроссель. Сглаживающими фильтрами служат электролитические конденсаторы большей емкости.

Мощный импульсный блок питания?

Значительно повысить f удается только в относительно маломощных ИБП с точки зрения силовой электроники. В преобразователях электрической энергии большой мощности – десятки, сотни и тысячи киловатт, сколь существенно увеличить частоту не получится. Это вызвано отсутствием транзисторов или тиристоров, способных быстро переключать большую нагрузку, сохраняя при этом приемлемый уровень потерь энергии. Максимум удается повысить f до тысячи герц, 400 Гц, а то и вовсе ниже. К тому же возникают трудности с охлаждением таких преобразовательных установок.

Потери в полупроводниковых ключах зависят от приложенного к ним напряжения, протекающего I и частоты переключения. С ростом f потери энергии в полупроводниковых ключах сильно возрастают. Поэтому существенно снижается коэффициент полезного действия всей преобразовательной установки. Отсюда данный способ пока что не находит применения для мощных преобразователей и является малоэффективным.

Но и здесь был найден выход. Все усилия были направлены в сторону уменьшения размеров и веса обмоток. В преобразователях она может достигать нескольких тонн. Если получится существенно уменьшить ее размеры, тогда можно домотать некоторое количество витков и за счет этого снизить габариты магнитопровода при сохранении прежнего значения электродвижущей силы.

Масса меди обмоток mо зависит от суммарной длины одного витка lв, их числа w, площади поперечного сечения Sв и удельного веса меди γм.

mо = lвwSвγм.

Длина витка lв определяется его диаметром dв, поэтому можем переписать предыдущее выражение следующим образом:

mо = πdвwSвγм.

В свою очередь диаметр dв определяет индуктивность Т. Поэтому его мы уменьшить не можем, поскольку это в конечном итоге повлечет за собой уменьшение ЭДС, а это не допустимо.

Также нельзя снизить удельный вес меди. Остается снижать площадь поперечно сечения витка.

Она в свою очередь зависит от величины протекающего I и допустимой плотности тока j.

Sв = Ij.

Величину тока мы также снизить не можем, поскольку она определяет мощность трансформатора при заданном значении электродвижущей силы. Остается только один способ – увеличить допустимую плотность j.

Сверхпроводники

Эта величина для меди в среднем находится в пределах от 8 до 10 А/мм2. Для обмоток электрических машин она будет иметь меньшее, а для монтажных проводов или линий электропередач – большее значение.

Величина j показывает, какой максимальный ток можно пропустить через заданное сечение проводника. Для простоты примем допустимое значение j = 10 А/мм2. Это значит, что через медный провод сечением 1 мм2 можно пропустить I величиной 1 А. Если превысить эту величину, то он будет перегреваться, что недопустимо. Главная причина заключается в перегреве изоляции, которая для электрических машин обходится дороже стоимости самого провода. С ростом температуры эксплуатационный срок изоляции резко снижается. Отсюда преждевременная постановка на ремонт и затратная перемотка изоляции.

Если проводник принудительно охлаждать, то через ту же Sв можно пропустить больший I. Именно таким способом удается существенно уменьшить сечение Sв. Применяют так называемые сверхпроводящие обмотки. Они находятся в специальной герметичной емкости, заполненной жидким азотом. Точка кипения азота чуть более -195 °С. Жидкий азот хорош тем, что он не взрывоопасен и не ядовит.

Благодаря применению жидкого азота снижается сопротивление проводника. Это позволяет повысить j почти в 30 раз, не перегревая его. А соответственно снизить площадь поперечного сечения обмоточного провода, что в свою очередь приводит к снижению веса электромагнитного устройства.

Подытожим сказанное выше. Для снижения массы и габаритов ИБП малой и средней мощности повышают частоту подводимого напряжения к обмоткам трансформатора за счет специальных схемных решений. В силовых преобразователях такой способ пока что трудно реализуем по причине отсутствия полупроводниковых ключей с приемлемыми коммутационными характеристиками. Единственный рациональный способ заключается в использовании сверхпроводящих обмоток.

Теперь, я надеюсь, Вам стало понятно, как работает импульсный блок питания и почему он имеет такую структуру.

Еще статьи по данной теме

Импульсный блок питания для телетайпа из 1940х (со светящимися ртутными тиратронами!)

Недавно мы начали процесс восстановления телетайпа Model 19, военно-морской системы связи из 1940х [1]. Этот телетайп питался от массивного блока питания постоянного напряжения, который звался «Выпрямитель REC-30». В нём использовались специальные тиратроны на ртутных парах, которые выдавали жуткое голубое свечение при включении, как на фото ниже.


Тиратронные трубки в блоке питания REC-30 выдают такое голубое свечение. Оранжевый свет исходит от неоновой лампы, используемой как источник опорного напряжения.

REC-30 интересный экземпляр в первую очередь из-за того, что это очень ранний импульсный блок питания. (Я знаю, что весьма спорно называть этот девайс импульсным блоком питания, но, тем не менее, я не вижу хорошей причины не делать этого). Несмотря на то, что в наши дни импульсные блоки питания используются повсеместно (из-за дешевизны высоковольтных транзисторов), они были диковинкой в 1940х. REC-30 огромен — его вес превышает 45 килограмм! Если сравнить его с 300 граммами блока питания для MacBook’а, то виден впечатляющий прогресс в развитии блоков питания с 1940х годов. В данной записи я загляну внутрь блока питания, опишу принципы его работы и сравню его с БП для MacBook’a.

Что же такое телетайп?



Телетайп Model 19. Изображение из журнала BuShips Electron от 1945 года.

Teletype является брендом производителя телепринтеров, которые, по сути, являются пишущими машинками, способными сообщаться через проводное соединение на длинных дистанциях. Возможно, вы знакомы с телетайпами через старые фильмы о журналистике, в которых эти устройства использовали для передачи новостных бюллетеней. Или, может быть, вы видели компьютеры из 1970х с телетайпом ASR33 в качестве терминала. Большая часть терминологии для технологии последовательных портов в современных компьютерах исходит из эры телетайпов: стартовый и стоповый биты, бодрейт, TTY и даже клавиша Break. Телетайпы также умели записывать и считывать символы с перфолент, используя 5-битное кодирование [2].


«Телетайп останется навсегда.» На фотографии показана перфолента для 5-битного кодирования, используемого телетайпами. Изображение из журнала BuShips Electron от 1945 года.

Телетайпы появились в ранних 1900х. В этой доэлектронной эре выбор символа, сериализация и печать достигались за счет использования сложных электромеханических устройств: электромагнитов, переключателей, рычагов, шестеренок и кулачковых механизмов. Нажатие на клавишу в телетайпе замыкало определенный набор переключателей, ассоциированных с символом. Моторизованный распределитель сериализовал этот набор бит для передачи по проводу. На принимающей стороне электромагниты преобразовывали полученные биты данных в движения механических избирательных гребней. Передвижение гребней образует сочетание выемок, соответствующее принятому символу, и совпадает с типовым рычагом, связанным со знаком. В результате получаем напечатанный символ [3].


Частично разобранный телетайп Model 19

Токовая петля


Телетайпы сообщаются друг с другом через 60мА токовую петлю: наличие тока в цепи даёт значение «маркер» (телетайп, соответственно, дырявит перфоленту), а если течение тока прерывается, то получаем значение, называемое «пробел». Каждый символ передаётся семью битами: стартовый бит, 5 бит данных и стоп-бит. Если вы когда-либо использовали последовательные устройства на вашем ПК, то знайте — именно телетайпы ввели понятия стартовых и стоповых битов. А бодрейт получил название по имени изобретателя 5-битного кодирования — Эмиля Бодо. Блок питания REC-30 выдавал 900 мА при 120В постоянного тока, достаточного для питания 15 телетайпов.

Возможно вы гадаете, почему же телетайпы просто не использовали уровни напряжения вместо этой странной токовой петли? Главная причина заключается в том, что при посылке сигналов по проводам в другой город очень трудно узнать какое же итоговое напряжение будет на том конце, из-за падения напряжения по пути. Но если вы отправляете 60мА, приемник получит те же самые 60мА (если не будет короткого замыкания, конечно же) [4]. Большой ток необходим для того, чтобы приводить в движение электромагниты и реле в телетайпах. В дальнейшем телетайпы стали чаще использовать 20мА токовую петлю вместо 60мА.

Зачем использовать именно импульсный блок питания?


Существует несколько путей разработки стабилизирующего источника питания. Наиболее простой и очевидный — линейный блок питания, который построен на лампах или транзисторах для стабилизации напряжения. Блок питания ведёт себя как переменный резистор, понижая входное напряжение до необходимого выходного уровня. Проблема с линейными блоками питания заключается в том, что они в принципе не очень-то и эффективны, ибо избыточное напряжение конвертируется в никому не нужное тепло.

Действительно, более современные блоки питания являются импульсными. Они с высокой частотой включаются и выключаются, таким образом доводя среднее напряжение до желаемого выходного уровня. Так как переключающий элемент (не важно активен он или нет) не имеет такого высокого сопротивления как линейный источник питания, то импульсные блоки тратят зазря совсем немного энергии. Кроме того, обычно они еще намного меньше и легче, но, очевидно, что разработчики REC-30 не следовали этому канону (его ширина больше 60см) [5]. Большинство блоков питания, которые попадутся вам на глаза, являются импульсными — начиная от зарядки для телефона, заканчивая блоком питания вашего компьютера. Импульсные БП набрали свою популярность в 1970х после разработки высоковольтных полупроводников, поэтому REC-30, с ламповой компонентной базой, является весьма необычным экземпляром.


Блок питания телетайпа REC-30 в своём сером окрашенном корпусе. Кабели питания выходят сверху. Лампы находятся за дверцей справа.

Внутри блока питания REC-30


На фото ниже можете увидеть основные компоненты блока питания. Переменный ток поступает слева и подаётся в большой автотрансформатор. Автотрансформатор — это специальный однообмоточный многоцелевой трансформатор, который преобразует напряжение входного переменного тока (которое может быть от 95В до 250В) [6] в фиксированные 230В. Благодаря этому, блок питания способен переваривать широкий спектр входных напряжений, путём простого подключения провода к соответствующей клемме автотрансформатора. Выходные 230В от автотрансформатора подаются на анодный трансформатор (управляющий), который выдаёт 400В для тиратронных трубок [7]. Они, в свою очередь, выпрямляют и стабилизируют напряжение, превращая переменный ток в постоянный. Затем ток фильтруется конденсаторами (их не видно на фото) и катушками индуктивности (дроссели) и окончательно на выходе получается 120В постоянного тока.


Основные компоненты REC-30

Опустим пока само переключение питания. Преобразование переменного тока в постоянный в REC-30 происходит через использование полноволнового выпрямителя и трансформатора со средней точкой (управляющий трансформатор), примерно так, как на схеме ниже (вместо диодов для выпрямления тока используются тиратроновые трубки). Обмотки трансформатора выдают две синусоиды в противофазе, поэтому у нас всегда будет положительная фаза тока, которую мы проводим через одну из тиратроновых трубок, получая пульсирующий постоянный ток (другими словами, отрицательная фаза переменного тока инвертируется и получается положительный выходной сигнал). Затем блок питания, с помощью катушек индуктивности (дросселей) и фильтрующих конденсаторов, сглаживает пульсацию и предоставляет ровное напряжения на выходе.

Схема полноволнового выпрямителя (по центру), который преобразует переменный ток (слева) в пульсирующий постоянный (справа). Изображение принадлежит Wdwd, CC BY 3. 0.

В отличие от диодов на схеме выше, тиратроновые трубки в блоке питания могут включаться и отключаться, давая, таким образом, возможность контролировать выходное напряжение. Основная идея заключается в том, чтобы включать тиратрон в определенную фиксированную фазу цикла переменного тока, как на анимации снизу. Если тиратрон включен полный цикл, то мы получаем полное напряжение, если включен пол-цикла, то половину напряжения, а если всего на какую-то малую долю цикла, то на выходе будет совсем небольшое напряжение [8]. Такая техника называется фазовым регулированием, потому что устройство включается только в определенный фазовый угол (к примеру, между 0° и 180° для синусоиды переменного тока). Очень похожий метод используется в обычном диммере освещения, разве что в них используются полупроводниковые симисторы вместо тиратроновых трубок [9].


Схема фазовой регуляции. Верхняя часть анимации показывает какая часть импульса используется, а нижняя показывает момент в котором тиратрон включен. Изображение принадлежит Zureks, CC BY-SA 2.5.

Тиратроновые трубки блока питания напоминают радиолампы, но в отличие от них содержат аргон и ртутные пары внутри стеклянной колбы (тогда как в радиолампах поддерживается вакуум). Тиратроновые трубки состоят из трех компонент: нить накаливания (катод), анод и сетка. Нить накаливания, похожая на те, которые используются в обычных лампочках, нагревается и испускает электроны. Анод, закрепленный сверху трубки, улавливает эти электроны, позволяя, таким образом, течение тока от катода к аноду. Контрольный электрод (сетка), находящийся между анодом и катодом служит цели блокировки потока электронов. Когда электроны текут к аноду, ртутный пар ионизируется, открывая таким образом тиратрон и производя побочный эффект в виде синего свечения, которое вы можете наблюдать на фото (а вот в обычных радиолампах хотя и имеется поток электронов, но ионизировать нечего). Ионизированная ртуть создаёт высокопроводящий тракт между катодом и анодом, позволяя течь довольно сильному току (1.5А). Как только ртуть ионизируется, сетка больше не управляет тиратроном, и он остаётся открытым до тех пор, пока напряжение между анодом и катодом не упадёт до нуля. В этот момент ионизация спадает и трубка выключается, пока её опять не переведут в открытое состояние.


Блок питания REC-30 для телетайпа. Видно синие свечение тиратроновых трубок оранжевое свечение неоновой лампы, используемой как источник опорного напряжения. Таймер и реле заметны слева сверху

Напряжение на сетке управляет тиратроном. Отрицательное напряжение отражает отрицательно-заряженные электроны, препятствуя таким образом току электронов между катодом и анодом. Но когда напряжение на аноде становится достаточно сильным, электроны преодолевают отталкивание сетки, и тиратрон открывается. Важный момент заключается в том, что чем выше отрицательное напряжение на сетке, тем более сильное отталкивание происходит и тем более высокое напряжение требуется, чтобы открыть тиратрон. Таким образом, напряжение на сетке управляет фазой цикла переменного тока, в которой тиратрон открывается.

Управляющая схема блока питания стабилизирует выходное напряжение через изменение напряжение на сетке, контролируя тайминги тиратрона [10]. Я использовал регулировочный потенциометр блока питания чтобы показать как меняется напряжение при смене таймингов. У меня получалось выставить выходное напряжение (синий на осциллограмме) в интервале от 114В до 170В. Стабилизирующая схема регулировала напряжение сетки (розовый), и через него управляя таймингами тиратронов (сине-зелёный и желтый) [11]. Осцилограмма устроена немного хитро — обратите внимание на соответствующее примечание. Главная деталь, которую важно подметить, это то, как пики сине-зелёной и желтой кривых сдвигаются влево с увеличением выходного напряжения, и это означает что тиратроны срабатывают раньше.


Изменением фазы регулируется выходное напряжения от 130В до 170В. Желтым и сине-зеленым обозначаются напряжения на тиратронах. Розовым — сигнал управляющей сетки. Синим — инвертированное выходное напряжение.

На изображении ниже показана схема блока питания REC-30 (крупнее — здесь). Входная цепь переменного напряжения выделена зеленым. В ней автотрансформатор стабилизирует входное напряжение до 230В и подаёт его на управляющий трансформатор. Установленные тиратроновые трубки имеют интересную особенность — они должны быть предварительно прогреты перед использованием, дабы гарантировать то, что ртуть находится в газообразном состоянии. Выполняется прогрев за счет использования биметаллического таймера на 20 секунд [13]. Вторичная сторона управляющего трансформатора, которая выдаёт 400В напряжение маркирована красным, стабилизированное тиратронами напряжение выделено оранжевым, а низкое напряжение — синим [14]. Цепь управления (нижняя часть схемы) чуть сложнее. Лампа управляющей сетки (пентод 6J6) обеспечивает управляющее напряжение на сетки тиратронов, контролирую когда они должны быть включены. Эта лампа принимает напряжение обратной связи (пин 5) через потенциометр (используя деление напряжения). Выходной контакт лампы (пин 3) задаёт напряжение сетки тиратронов и таким образом держит выходное напряжение стабилизированным. Падение напряжения на неоновой лампе практически постоянно, что позволяет ей вести себя как источник опорного напряжения и выдавать фиксированное напряжение на катод управляющей лампы (пин 8)


Схема блока питания REC-30. По какой-то неведомой причине, на чертеже Омы маркируются омегой в нижнем регистре (ω) вместо привычной Ω

Сравнение с блоком питания MacBook’а


Интересно сравнить данный блок питания с современным блоком питания для MacBook’а дабы проследить насколько сильно импульсные блоки питания развились за последние 70 лет. Адаптер питания для Apple MacBook’а более-менее сопоставим с блоком питания REC-30: он выдает 85Вт постоянного тока, преобразуя входной переменный (у REC-30 этот показатель равен 108 ваттам). Однако при этом блок питания MacBook’а весит примерно 280грамм, в то время как вес REC-30 около 45 килограмм. Кроме того, размер так же значительно меньше чем даже 1% от габаритов REC-30, что наглядно показывает невероятные успехи в миниатюризации электроники с 1940х годов. Массивные тиратроны для переключения питания были заменены компактными MOSFET’ами. Резисторы уменьшились от размеров пальца до размеров меньше зернышка риса. Современные конденсаторы стали меньше, но не в такой пропорции как резисторы — они являются одним из наиболее крупным компонентом зарядки для MacBook’а, в чем вы можете убедиться на фото ниже.


Внутри 85-ваттного блока питания для Apple MacBook. Несмотря на его небольшое размер, блок питания устроен намного сложнее в сравнение с REC-30. В нём есть цепь коррекции коэффициента мощности (PFC) для улучшения эффективности линии питания. Многочисленные функции безопасности (ради которых в схеме даже есть 16-битный микроконтроллер!) отслеживают состояние блока питания, и отключает его в случае какой-либо угрозы или ошибки.

Большую часть веса зарядное устройство от MacBook’а сбросило за счет замены громадных автотрансформатора и анодного управляющего трансформатора небольшими высокочастотными трансформаторами. Блок питания MacBook’а работает на частотах в 1000 раз больших, чем REC-30, что позволяет катушкам индуктивности и трасформаторам быть намного меньших размеров. (Я написал более подробную статью про зарядку MacBook’a здесь, а про историю блоков питания — здесь.)

В таблице ниже я резюмировал различия между REC-30 и блоком питания MacBook’a.

REC-30 MacBook 85Вт
Вес 47.4кг 0.27кг
Габариты 64.5см x 20.3см x 27.9см (36.5 литров) 7.9см x 7.9см x 2.9см (0.18 литров)
Входной переменный ток 95-250В, 25-60Гц 100-240В, 50-60Гц
Выходной ток 108Вт, 120В постоянного тока при 0.9А 85Вт, 18.5В постоянного тока при 4.6А
Холостое (паразитное) потребление энергии 60Вт меньше 0.1Вт
Содержание вредных веществ Ртуть, свинцовый припой, возможно асбестовая изоляция проводов Нет (сертицифированно RoHS)
Внешнее управление Биметаллический таймер и реле 16-битный MSP430 микроконтроллер
Переключающие элементы Тиратроновые трубки 323 N-канальные силовые 11А MOSFET’ы
Источник опорного напряжения Неоновая газоразрядная лампа GE NE-42 Бандгап TSM103/A
Управление переключением Пентод 6F6 Резонансный контроллер L6599
Частота переключения 120Гц примерно 500 кГц

Я измерил качество выходного сигнала REC-30 (на изображении ниже). Блок питания выдаёт куда более качественный сигнал чем я ожидал — пульсация всего в 200мВ (волны на синей горизонтальной линии), что весьма близко к уровню устройств от Apple. Однако на осцилограмме также можно видеть узкие всплески (вертикальные линии) примерно в 8 вольт, которые происходят при переключении тиратронов. Эти всплески весьма велики по сравнению с блоком питания от Apple, но всё равно куда меньше чем в дешёвых зарядных устройствах.


Выходной сигнал блока питания REC-30. Видно небольшую пульсацию и всплески при переключении питания.

Заключение


Блок питания REC-30 выдаёт более 100 Ватт мощности постоянного тока для телетайпа. Вышедший в 1940х, REC-30 был крайне ранним импульсным блоком питания, использующим ртутные тиратроновые трубки ради большей эффективности. Он был чудовищно большим для 100Вт-ного блока питания: вес был более 45 килограмм. Сравнимый современный блок питания компактнее и легче более чем в 100 раз. Несмотря на свой возраст, блок питания работал безупречно, как вы можете убедиться в видео Марка. Кроме того, сам процесс работы выглядит весьма красиво — голубое свечение от тиратронов и оранжевое от большой неоновой лампы.

Спасибо Carl Claunch и Marc Verdiell за их работу с этим блоком питания!

Примечания


1. Первое упоминание о внедрении телетайпов для ВМФ было в журнале BuShips Electron от сентября 1945го. Разработка радиотелетайпа (RTTY), в котором обычно используется частотная манипуляция (FSK), позволила применять телетайпы для нужд ВМФ. Сначала флот использовал радиотелетайпы только для связи береговых станций между собой, и только потом стал применять их и на кораблях. Ключевым преимуществом телетайпа была скорость: он был в четыре раза быстрее чем отправка сообщения по радио оператором вручную. Кроме того, сообщения на перфоленте можно было автоматически копировать и пересылать. А еще телетайп мог быть интегрирован с криптографическим оборудованием, таким как SIGTOT, основанным на криптосистеме одноразовых блокнотов. Больше про телетайпы Второй мировой войны можете почитать здесь. ↑

2. В 1870х Эмиль Бодо изобрел 5-битовый код, названный его именем. Другой 5-битовый код создал Дональд Мюррей в 1901 году и был стандартизован как ITA-2 (CCITT-2). Обе схемы кодирования выглядят бессистемно — символы кажутся разбросанными в случайном порядке. Однако оригинальный код Бодо являлся так же и кодом Грея, а код Мюррея был оптимизирован для того, чтобы делать меньшее число перфораций для наиболее встречающихся символов, что позволяло уменьшить износ механизмов. 5-битные кода были актуальны до стандартизации ASCII в 1960х, в котором алфавитный и бинарный порядок символов совпадают. ↑

3. Более подробная информация о том, как работает телетайп — здесь. Кроме этого, есть еще более обширный документ — Fundamentals of Telegraphy (Teletypewriter), Army Technical Manual TM 11-655, 1954. Чертежи на REC-30 можно скачать отсюда, а документацию — здесь.↑

4. Учтите, что в противоположность системе, основанной на измерении напряжения, компоненты токовой петли, как следует из названия, и должны формировать топологическую петлю для того, чтобы ток мог протекать через них. Если исключить какое-либо устройство из цепи, то петля разорвется в случае отсутствия механизма замыкания петли. В результате, в системе коммуникации телетайпов содержится множество сокетов, которые замыкаются при отключении компонента для того, чтобы токовая петля продолжала функционировать.↑

5. Главная причина того, что REC-30 такой большой и тяжелый, в сравнении с современными импульсными блоками питания, заключается в том, что частота импульсов всего 60Гц, в то время как современные БП работают на частоте в десятки килогерц. Так как ЭДС трансформатора пропорциональна частоте его работы, то высокочастотные трансформаторы могут быть гораздо меньше по размеру чем низкочастотные (подробнее). ↑

6. REC-30 может работать с широким набором входных напряжений (95, 105, 115, 125, 190, 210, 230, 250 вольт переменного тока) и током различной частоты (25, 40, 50 и 60 Гц). Современные импульсные блоки питания автоматически подстраиваются к входному напряжению, но REC-30 требует подключения контакта к соответствующей клемме автотрансформатора для смены входного напряжения. Возможно, вам покажется частота в 25Гц весьма странной для входного тока блока питания, но многие регионы США использовали 25-герцовое питание в 1900х. В частности, Ниагарский водопад генерировал электрический ток в 25Гц из-за особенностей дизайна турбин. В 1919 более чем 2/3 выработки энергии в Нью-Йорке была с частотой в 25Гц, а в Буффало только в 1952 году стали использовать 60Гц ток в больших объемах чем 25Гц. Из-за такой популярности 25Гц тока многие перфораторы IBM ранних 1900х могли работать на 25 герцах (подробнее). ↑

7. Изоляция входного переменного тока от выходного постоянного тока является ключевым элементом безопасности в большинстве блоков питания, включая зарядные устройства, блоки питания компьютеров и рассматриваемый REC-30. Такая развязка предотвращает сильный удар током при соприкосновении с выходными контактами. Для REC-30 критическую роль изолятора выполняет анодный трансформатор. Заметьте, что автотрансформатор не предоставляет никакой изоляционной защиты, так как у него только одна главная обмотка и прикоснуться к его выводу тоже самое что и коснуться входного переменного тока. Остальная цепь аккуратно спроектирована с таким расчетом, что нет прямого пути между входом и выходом: система управления находится целиком на вторичной стороне, нити накаливания тиратронов питаются от обмотки, изолированной от автотрансформатора, а реле обеспечивают изоляцию таймеру. Кроме этого, 120В выход сделан двухтактным вместо заземления одного из контактов: это означает, что нужно схватить сразу за 2 контакта чтобы получить удар током.↑

8. Современные импульсные блоки питания используют схемы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для переключения питания с частотой в тысячи раз за секунду. Это позволяет им иметь гораздо меньший размер и более ровный выходной сигнал по сравнению с блоками питания, которые переключаются только единожды за один цикл переменного тока. Но в то же время, им нужна куда более сложная система управления.↑

9. Современным твердотельным эквивалентом тиратронов является кремниевый выпрямитель, который так же называют SCR или тиристор (комбинация слов «тиратрон» и «транзистор»). SCR имеет четыре полупроводниковых слоя (в сравнении с 2-слойным диодом и 3-слойным транзистором). Точно так же как и тиратрон, SCR находится в выключенном состоянии до тех пор, пока не будет подан ток на управляющий электрод. SCR остаётся включенным и работает в роли диода до тех пор, пока напряжение не падает до 0 (строго говоря, пока протекающий ток не становится меньше тока удержания). Симистор это полупроводниковый элемент, весьма похожий на SCR, за исключениме того, что он пропускает ток в обоих направлениях, что делает его более удобным в схемах с переменным током.↑

10. Изначально я полагал, что, с увеличением нагрузки, тиратроны будут открыты на более длительные временные промежутки дабы выдать больше тока. Однако, после подключения осциллографа и изучения поведения тиратронов под различной нагрузкой, я не заметил никакого смещения фазы. Оказалось, что это ожидаемое поведение: трансформатор выдаёт в общем-то постоянное напряжение, вне зависимости от нагрузки. Таким образом, и тайминги тиратронов остаются постоянными при изменениях в нагрузке, а трансформатор просто выдаёт больше тока. В этом видео можете заметить, как меняется свечение тиратронов при увеличении силы тока. ↑

11. Под небольшой нагрузкой блок питания может даже иногда пропускать цикл переменного тока полностью, вместо того, чтобы переключать тиратроны посреди него. Визуально это можно наблюдать как мерцание тиратронов, вместо постоянного свечения. Не уверен в том, баг ли это или фича.↑

12. На осцилограмме желтые и сине-зеленые линии обозначают напряжение на двух тиратронах. Плоская часть линий (в этот момент разница в напряжениях около нуля) означает, что в этот момент тиратрон включается. Тиратроновые трубки несимметричны, и поэтому та, за которой закреплен желтый сигнал, обычно включается позже (визуально можно наблюдать как один тиратрон светится ярче чем другой). Розовая линия — напряжение управляющей сетки. Отметьте, что оно возрастает дабы повысить выходное напряжение, и это увеличение заставляет тиратроны срабатывать раньше. Вертикальный всплеск розовой линии это просто шум из-за срабатывания тиратронов. Синия линия снизу — выходное напряжение (инвертированное: линия идёт вниз при возрастании напряжения).

Для меня загадка почему всегда хотя бы один тиратрон работает — постоянно либо желтая, либо сине-зеленая линия находятся в нуле. Я ожидал бы увидеть разрыв между нулевым напряжением на одном тиратроне и моментом открытия второго. Я подозреваю, что большие катушки индуктивности нагнетают отрицательный заряд на катод, таким образом, даже, когда сам анод отрицательный, разница потенциалов между катодом и анодом всё равно положительная. ↑

13. 20-секундная задержка перед подачей питания на трубки достигается за счет таймера и реле. В таймере используется биметаллическая пластина с подогревателем. Когда вы включаете блок питания, катод получает питание незамедлительно
для прогрева трубок. В то же время, подогреватель внутри таймера прогревает биметаллическую пластину и в какой-то момент пластина изгибается достаточно для замыкания контактов и питания трубок. В этот же момент срабатывает реле и в свою очередь тоже замыкает контакты.↑

14. Цепь, относящаяся к катодам, немного каверзная, так как нити накаливания тиратронов используются как в качестве подогрева трубок, так и непосредственно в качестве катодов. На них подаётся 2.5В от автотрансформатора. Кроме этого, так как в тиратронах нити накаливания еще и катоды, они сами производят выходное напряжение и подсоединены к высокой стороне выходного сигнала. Дабы обеспечить выполнение обоих задач, расщепленная обмотка автотрансформатора накладывает напряжение в 2.5В на нить накаливания, но в то же время напрямую пропускает выходное напряжение. Оба тиратрона используют в сумме 35Вт только на нити накаливания, так что, как можете видеть, подогрев тратит кучу энергии и выделяется много тепла, и таким образом, в некотором роде, сводит на нет преимущества импульсного блока питания. ↑

Импульсный источник питания для работы в 3-х фазной цепи

Промышленному оборудованию, работающему от трехфазного источника переменного тока, часто требуется вспомогательный блок питания, который может обеспечить напряжение постоянного тока в широком диапазоне входных напряжений. Примеры таких приложений – это промышленные приводы, системы ИБП и счетчики энергии.

Требования к таким источникам питания намного жёстче, чем к стандартным однофазным источникам. Такое оборудование предназначено для использования в промышленной среде, и должно допускать очень широкие изменения напряжения, включая расширенные провалы, скачки в сети и случайные обрывы одной или нескольких фаз. Кроме того, заданный диапазон входного напряжения вспомогательного источника питания должен быть в диапазоне от 57В до 580В.

Проектирование импульсного источника питания для такого широкого диапазона осложнено, в первую очередь, высокой стоимостью высоковольтных МОП-транзисторов и ограничением в цепях управления ШИМ конвертеров для широких значений входных напряжений. Технология StackFET позволяет использовать комбинацию недорогого низковольтного МОП-транзистора, рассчитанного на 600В, и конвертер питания от Power Integrations, для проектирования простого и недорогого импульсного источника питания, способного работать в широком диапазоне входного напряжения.

Рисунок 1. Трехфазный источник питания 3 Вт с использованием технологии StackFET

Схема работает следующим образом. Входное переменное напряжение выпрямляется мостом на диодах D1-D8. Резисторы R1-R4 ограничивают пусковой ток. Применение плавких резисторов позволяет безопасно разорвать цепь в случае фатальной аварии и устраняет необходимость в отдельных предохранителях. П-образный фильтр, состоящий из C5, C6, C7, C8, в связке с L1, фильтрует выпрямленное напряжение.

Резисторы R13 и R15 уравновешивают напряжение на конденсаторах входного фильтра.

Когда встроенный в U1 МОП-транзистор открывается, потенциал на стоке Q1 падает и начинает протекать ток через резисторы R6, R7 и R8, при этом, благодаря емкости стабилитронов VR1-VR3 открывается транзистор Q1. Диод Зеннера VR4 ограничивает напряжение, подаваемое на Q1. После закрытия МОП-транзистора в U1, при условии, что напряжение превысит значение 450В (напряжение на его стоке определяется цепью из VR1, VR2 и VR3), все излишнее напряжение падает на транзисторе Q1. Это ограничивает напряжение сток-исток на U1, в районе 450 В. Любое дополнительное приложенное напряжение будет гаситься транзистором Q1. Такая схема эффективно распределяет сумму выпрямленного входного и обратного напряжения между Q1 и U1. Резистор R9 ограничивает всплески напряжений во время переключения, а цепь фиксации VR5, D9 и R10 ограничивает пиковое напряжение во время обратного хода, возникающее из-за индуктивности рассеяния трансформатора.

Выпрямление напряжения вторичной обмотки трансформатора обеспечивается диодом D1. C2 — выходной конденсатор. L2 и C3 образуют фильтр второго порядка, который снижает высокочастотные пульсации выходного напряжения.

Стабилитрон VR6 открывается, когда выходное напряжение превышает общее падение диода оптопары и VR6. Изменение выходного напряжения вызывает изменение тока через диод оптопары U2, который, в свою очередь, меняет ток на транзисторе в U2B. Когда этот ток превышает пороговый ток вывода FB U1, следующий рабочий цикл блокируется. Регулирование выходного сигнала достигается путем управления количеством совершённых и пропущенных рабочих циклов. В активном режиме, при достижении лимита тока U1 происходит завершение цикла. Резистор R11 ограничивает ток оптопары во время переходной нагрузки, а также задает коэффициент усиления в петле обратной связи. Резистор R12 обеспечивает ток смещения для стабилитрона VR6.

Эта схема защищена от потери обратной связи, короткого замыкания на выходе и перегрузки благодаря встроенным функциям IC U1 (LNK 304). На трансформаторе не требуется дополнительной обмотки смещения, так как U1 получат питание непосредственно с истока интегрированного МОП транзистора. C4 поддерживает работу встроенного источника питания.

Статья Power Integrations. Перевод Макро Групп. Ссылка на оригинал статьи.

В чем разница между линейными и импульсными источниками питания?

Существует два основных исполнения источников питания постоянного тока: линейные источники питания постоянного тока и импульсные источники питания постоянного тока. Традиционные линейные источники питания обычно тяжелые, долговечные и имеют низкий уровень шума на низких и высоких частотах. По этой причине они в основном подходят для приложений с низким энергопотреблением, где вес не представляет проблемы. Импульсные источники питания намного легче, эффективнее, долговечнее и имеют ограниченный высокочастотный шум благодаря конструкции.По этой причине импульсные источники питания не подходят для высокочастотных аудиоприложений, но отлично подходят для приложений с высокой мощностью. Помимо этого, эти два типа в значительной степени взаимозаменяемы для различных приложений, и их изготовление примерно одинаково. Импульсные источники питания в настоящее время используются более широко, чем линейные источники питания, мы видели, как некоторые онлайн-продавцы говорили, что импульсные источники питания не подходят для гальваники (гальваники) или ионизации, это вводит в заблуждение и не соответствует действительности.

Если вы хотите узнать больше о линейных источниках питания постоянного тока и импульсных источниках питания постоянного тока, прочтите более подробное введение ниже.

Линейный источник питания постоянного тока

Линейные источники питания постоянного тока были основой преобразования энергии до конца 1970-х годов. С развитием технологии импульсных источников питания линейные источники питания сегодня менее популярны, но по-прежнему незаменимы в приложениях, требующих очень низких пульсаций и шума.Линейный источник питания использует большой трансформатор для понижения напряжения с линии переменного тока до гораздо более низкого переменного напряжения, а затем использует ряд выпрямительных схем и процесс фильтрации для получения очень чистого постоянного напряжения. Это низкое напряжение постоянного тока затем регулируется до желаемого уровня путем уменьшения разницы в напряжении на транзисторе или IC (шунтирующем стабилизаторе). Типичные области применения линейных источников питания постоянного тока включают, но не ограничиваются:

  • студийный микшер / аудиоусилитель

  • малошумящие усилители

  • обработка сигналов

  • сбор данных — включая датчики, мультиплексоры, аналого-цифровые преобразователи и схемы выборки и хранения.

  • автоматическое испытательное оборудование

  • лабораторное испытательное оборудование

  • цепи управления

  • везде, где требуется отличная регулировка и / или низкая пульсация

В течение трех десятилетий Mastech производила регулируемые линейные источники питания с исключительно низкой пульсацией и шумом за небольшую плату от известных брендов. Наш успех привлек множество подражателей с похожими продуктами.За последние три года мы внедрили новые конструкции, которые выводят надежность и отказоустойчивость линейных источников питания постоянного тока на новый уровень. После трех лет испытаний мы рады подтвердить, что новая линейка линейных источников питания постоянного тока Volteq оправдала все наши ожидания в отношении регулирования напряжения и тока, шума и надежности и является предпочтительным линейным источником питания постоянного тока для большинство наших клиентов.

Если у вас есть аудиоприложение, вам следует придерживаться оригинальной конструкции линейных источников питания постоянного тока Mastech для работы без вентилятора.

Для всех других применений мы рекомендуем линейные источники питания постоянного тока Volteq из-за повышенной надежности за счет защиты от перенапряжения и обратного напряжения.

Есть технический вопрос? посетите наш форум поддержки .

Нужна помощь в поиске подходящего продукта? Ознакомьтесь с нашим Руководством по выбору .

Импульсный источник питания постоянного тока

Импульсные источники питания постоянного тока были впервые представлены в конце 1970-х годов, сегодня они являются самой популярной формой источников питания постоянного тока на рынке благодаря их исключительной энергоэффективности и отличным общим характеристикам.Импульсный источник питания постоянного тока (также известный как импульсный источник питания) регулирует выходное напряжение с помощью процесса, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Процесс ШИМ генерирует некоторый высокочастотный шум, но позволяет создавать импульсные источники питания с очень высокой энергоэффективностью и малым форм-фактором. Импульсный источник питания с хорошей конструкцией может иметь отличную стабилизацию нагрузки и линии. Типичные области применения импульсных источников питания постоянного тока:

  • универсальное использование, включая НИОКР, производство и испытания
  • приложения с высокой мощностью / высоким током
  • системы связи, мобильные станции, сетевое оборудование и т. д.
  • гальваника, анодирование, гальванопластика, электрофорез и др.
  • Зарядка и выравнивание литий-ионных аккумуляторов, авиационных, морских и автомобильных аккумуляторов
  • электролиз, обработка отходов, водородный генератор, топливные элементы и т. д.
  • Двигатели постоянного тока, игровые автоматы, авиационное и морское оборудование и т. Д.

В течение трех десятилетий Mastech создавал регулируемые импульсные источники питания с наименьшими шумами и колебаниями в отрасли.Наши импульсные источники питания широко используются в исследованиях и разработках и в лабораторных условиях из-за их исключительных шумовых характеристик. Выбор конструкции для минимизации шума имеет ряд недостатков: более медленный отклик и повышенная чувствительность к обратной ЭДС от нагрузки. В результате импульсные источники питания Mastech не подходят для зарядки аккумуляторов, анодирования, светодиодных применений, гальваники (использование в качестве выпрямителей для гальванических покрытий) и анодирования, электролиза, гальванопластики, производства водорода и любых электрохимических применений.

Признавая недостатки, мы запустили в 2012 году новую линейку импульсных источников питания под маркой Volteq для удовлетворения растущих потребностей клиентов в области зарядки аккумуляторов, светодиодных приложений, двигателей постоянного тока, гальваники и анодирования, электролиза и производства водорода, игровых автоматов. , автомобильные, авиационные и морские приложения. Импульсные источники питания Volteq , со встроенной защитой от перенапряжения и обратного напряжения, прочны как камень, но при этом обеспечивают отличные характеристики шума и пульсаций благодаря использованию самых современных технологий.

Есть технический вопрос? посетите наш форум поддержки .

Нужна помощь в поиске подходящего продукта? Ознакомьтесь с нашим Руководством по выбору .

Импульсный источник питания: преимущества использования и принцип работы | Статья

.

СТАТЬЯ ОБРАЗОВАНИЯ


Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое блок питания?

Источник питания — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток, исходящий от источника питания, в значение напряжения, необходимое для питания нагрузки, такой как двигатель или электронное устройство.

Существует два основных исполнения источников питания: линейный источник питания и импульсный источник питания.

  • Линейный: В линейных источниках питания используется трансформатор для понижения входного напряжения. Затем напряжение выпрямляется и превращается в напряжение постоянного тока, которое затем фильтруется для улучшения качества формы волны. В линейных источниках питания используются линейные регуляторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают лишнюю энергию в виде тепла.
  • Коммутация: Импульсный источник питания — это новая методология, разработанная для решения многих проблем, связанных с конструкцией линейного источника питания, включая размер трансформатора и регулировку напряжения. В схемах импульсных источников питания входное напряжение больше не снижается; вместо этого он исправляется и фильтруется на входе. Затем напряжение проходит через прерыватель, который преобразует его в серию высокочастотных импульсов. Прежде чем напряжение достигнет выхода, оно снова фильтруется и выпрямляется.

Как работает импульсный источник питания?

На протяжении многих лет линейные источники питания переменного / постоянного тока преобразуют мощность переменного тока из энергосистемы в постоянное напряжение для работы бытовой техники или освещения. Потребность в источниках меньшего размера для приложений большой мощности означает, что линейные источники питания стали использоваться в конкретных промышленных и медицинских целях, где они все еще необходимы из-за низкого уровня шума. Но на смену им пришли импульсные источники питания, потому что они меньше, более эффективны и способны выдерживать большую мощность. На рисунке 1 показано общее преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) в импульсном источнике питания.

Рисунок 1: Изолированный импульсный источник питания переменного / постоянного тока

Входное выпрямление

Выпрямление — это процесс преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямление входного сигнала — это первый шаг в импульсных источниках питания переменного / постоянного тока.

Принято считать, что постоянное напряжение — это прямая, непоколебимая линия постоянного напряжения, подобная той, которая выходит из батареи.Однако то, что определяет постоянный ток (DC), — это однонаправленный поток электрического заряда. Это означает, что напряжение течет в одном направлении, но не обязательно постоянно.

Синусоидальная волна представляет собой наиболее типичную форму волны переменного тока, которая является положительной для первого полупериода, но отрицательной для остальной части цикла. Если отрицательный полупериод реверсируется или устраняется, то ток перестает меняться и становится постоянным. Этого можно добиться с помощью процесса, называемого исправлением.

Выпрямление может быть достигнуто с помощью пассивного полумостового выпрямителя для устранения отрицательной половины синусоидальной волны с помощью диода (см. Рисунок 2) . Диод позволяет току течь через него во время положительной половины волны, но блокирует ток, когда он течет в противоположном направлении.

Рисунок 2: Полумостовой выпрямитель

После выпрямления результирующая синусоида будет иметь низкую среднюю мощность и не сможет эффективно обеспечивать питание устройств.Гораздо более эффективным методом было бы изменить полярность отрицательной полуволны и сделать ее положительной. Этот метод называется двухполупериодным выпрямлением, и для него требуется только четыре диода в мостовой конфигурации (см. Рисунок 3) . Такая конструкция поддерживает стабильное направление тока независимо от полярности входного напряжения.

Рисунок 3: Полномостовой выпрямитель

Полностью выпрямленная волна имеет более высокое среднее выходное напряжение, чем напряжение, создаваемое полумостовым выпрямителем, но это все еще очень далеко от постоянной формы волны постоянного тока, необходимой для питания электронных устройств.Хотя это волна постоянного тока, ее использование для питания устройства было бы неэффективным из-за формы волны напряжения, которая очень быстро и очень часто меняет значение. Это периодическое изменение напряжения постоянного тока называется пульсацией — уменьшение или устранение пульсаций имеет решающее значение для эффективного источника питания.

Самым простым и наиболее часто используемым методом уменьшения пульсаций является использование большого конденсатора на выходе выпрямителя, называемого накопительным конденсатором или сглаживающим фильтром (см. Рисунок 4) .

Конденсатор накапливает напряжение во время пика волны, а затем снабжает нагрузку током до тех пор, пока его напряжение не станет меньше, чем сейчас нарастающая волна выпрямленного напряжения. Результирующая форма волны намного ближе к желаемой форме и может считаться постоянным напряжением без составляющей переменного тока. Этот окончательный сигнал напряжения теперь можно использовать для питания устройств постоянного тока.

Рисунок 4: Полномостовой выпрямитель со сглаживающим фильтром

Пассивное выпрямление использует полупроводниковые диоды в качестве неуправляемых переключателей и является самым простым методом выпрямления волны переменного тока, но не самым эффективным.

Диоды — относительно эффективные переключатели; они могут быстро включаться и выключаться с минимальными потерями энергии. Единственная проблема с полупроводниковыми диодами заключается в том, что они имеют падение напряжения прямого смещения от 0,5 В до 1 В, что снижает эффективность.

Активное выпрямление заменяет диоды управляемыми переключателями, такими как полевые МОП-транзисторы или биполярные транзисторы (см. Рисунок 5) . У этого есть два преимущества: во-первых, выпрямители на основе транзисторов устраняют фиксированное падение напряжения от 0,5 В до 1 В, связанное с полупроводниковыми диодами, поскольку их сопротивление может быть произвольно малым и, следовательно, иметь небольшое падение напряжения.Во-вторых, транзисторы представляют собой управляемые переключатели, что означает, что частоту переключения можно контролировать и, следовательно, оптимизировать.

Обратной стороной является то, что активные выпрямители требуют более сложных схем управления для достижения своей цели, что требует дополнительных компонентов и, следовательно, делает их более дорогими.

Рисунок 5: Полномостовой активный выпрямитель

Коррекция коэффициента мощности (PFC)

Второй этап в разработке импульсного источника питания — это коррекция коэффициента мощности (PFC).

Цепи

PFC имеют мало общего с фактическим преобразованием мощности переменного тока в мощность постоянного тока, но являются важным компонентом большинства коммерческих источников питания.

Рисунок 6: Осциллограммы напряжения и тока на выходе выпрямителя

Если вы понаблюдаете за формой волны тока накопительного конденсатора выпрямителя (см. Рисунок 6) , вы увидите, что зарядный ток течет через конденсатор в течение очень короткого промежутка времени, особенно с точки, где напряжение на входе конденсатор больше, чем заряд конденсатора до пика выпрямленного сигнала.Это вызывает серию коротких всплесков тока в конденсаторе, что создает значительную проблему не только для источника питания, но и для всей электросети из-за большого количества гармоник, которые эти всплески тока вводят в сеть. Гармоники могут создавать искажения, которые могут повлиять на другие источники питания и устройства, подключенные к сети.

В схеме импульсного источника питания целью схемы коррекции коэффициента мощности является минимизация этих гармоник путем их фильтрации.Для этого есть два варианта: активная и пассивная коррекция коэффициента мощности.

  • Пассивные схемы коррекции коэффициента мощности состоят из пассивных фильтров нижних частот, которые пытаются устранить высокочастотные гармоники. Однако источники питания, особенно в приложениях с большой мощностью, не могут соответствовать международным нормам по гармоническому шуму с использованием только пассивной коррекции коэффициента мощности. Вместо этого они должны применять коррекцию активной мощности.
  • Активная коррекция коэффициента мощности изменяет форму кривой тока и заставляет ее следовать за напряжением.Гармоники перемещаются на гораздо более высокие частоты, что упрощает их фильтрацию. Наиболее широко используемой схемой для этих случаев является повышающий преобразователь, также называемый повышающим преобразователем.

Изоляция: изолированные и неизолированные импульсные источники питания

Независимо от того, присутствует ли схема PFC, последний этап преобразования мощности — это понижение выпрямленного напряжения постоянного тока до нужной величины для предполагаемого применения.

Поскольку форма входного переменного тока выпрямлена на входе, выходное напряжение постоянного тока будет высоким: если нет коррекции коэффициента мощности, выходное напряжение постоянного тока выпрямителя будет около 320 В.Если есть активная схема коррекции коэффициента мощности, на выходе повышающего преобразователя будет постоянное постоянное напряжение 400 В или более.

Оба сценария чрезвычайно опасны и бесполезны для большинства приложений, которые обычно требуют значительно более низких напряжений. В таблице 1 показаны некоторые аспекты преобразователя и приложения, которые следует учитывать при выборе правильной топологии изоляции.

Изолированные источники питания переменного / постоянного тока Неизолированные источники питания переменного / постоянного тока
Топология Обратный преобразователь Понижающий преобразователь
Безопасность Гальваническая развязка обеспечивает повышенную безопасность пользователя Возможные утечки тока могут причинить значительный вред пользователям или нагрузкам
Размер и эффективность Трансформаторы увеличивают размер и вес Требуется только один индуктор, схема гораздо меньшего размера
КПД Потери в железе и меди трансформатора влияют на КПД Один индуктор намного эффективнее, чем целый трансформатор
Сложность Схема управления необходима как для

Таблица 1: Изолированные vs.Неизолированные источники питания переменного / постоянного тока

При выборе метода понижения главное внимание уделяется безопасности.

Источник питания подключается к сети переменного тока на входе, что означает, что в случае утечки тока на выходе, поражение электрическим током такой степени может серьезно повредить или вызвать смерть, а также повредить любое устройство, подключенное к выходу.

Безопасность может быть достигнута за счет магнитной изоляции входных и выходных цепей источника питания переменного / постоянного тока, подключенного к сети.Наиболее широко используемые цепи в изолированных источниках питания переменного / постоянного тока — это обратноходовые преобразователи и резонансные LLC-преобразователи, поскольку они включают гальваническую или магнитную изоляцию (см. Рисунок 7) .

Рисунок 7: Обратный преобразователь (слева) и LLC-резонансный преобразователь (справа)

Использование трансформатора означает, что сигнал не может быть постоянным напряжением. Вместо этого должно быть изменение напряжения и, следовательно, изменяющийся ток, чтобы передавать энергию от одной стороны трансформатора к другой через индуктивную связь.Следовательно, как обратный преобразователь, так и LLC-преобразователи «прерывают» входное постоянное напряжение в виде прямоугольной волны, которая может быть понижена с помощью трансформатора. Затем выходная волна должна быть снова выпрямлена перед выходом.

Обратные преобразователи в основном используются для приложений с низким энергопотреблением. Обратный преобразователь представляет собой изолированный повышающий-понижающий преобразователь, что означает, что выходное напряжение может быть как выше, так и ниже входного напряжения, в зависимости от соотношения витков трансформатора между первичной и вторичной обмотками.

Обратный преобразователь работает аналогично повышающему преобразователю.

Когда переключатель замкнут, первичная катушка заряжается входом, создавая магнитное поле. Когда переключатель разомкнут, заряд в первичной катушке индуктивности передается на вторичную обмотку, которая вводит ток в цепь, питающую нагрузку.

Обратно-обратные преобразователи

относительно просты в проектировании и требуют меньшего количества компонентов, чем другие преобразователи, но не очень эффективны из-за значительных потерь из-за жесткого переключения при принудительном включении и выключении транзистора произвольно (см. Рисунок 8).Это очень вредно для жизненного цикла транзистора и приводит к значительным потерям мощности, особенно в приложениях с высокой мощностью, поэтому обратноходовые преобразователи лучше подходят для приложений с низким энергопотреблением, обычно до 100 Вт.

Резонансные LLC-преобразователи чаще используются в приложениях большой мощности. Эти цепи также имеют магнитную изоляцию через трансформатор. Преобразователи LLC основаны на явлении резонанса, которое представляет собой усиление определенной частоты, когда она совпадает с собственной частотой фильтра.В этом случае резонансная частота LLC-преобразователя определяется последовательно включенными катушкой индуктивности и конденсатором (LC-фильтр) с дополнительным эффектом первичной катушки индуктивности трансформатора (L), отсюда и название LLC-преобразователь.

Резонансные преобразователи

LLC предпочтительны для мощных приложений, поскольку они могут производить переключение при нулевом токе, также известное как мягкое переключение (см. Рисунок 8) . Этот метод переключения включает и выключает переключатель, когда ток в цепи приближается к нулю, сводя к минимуму потери переключения транзистора, что, в свою очередь, снижает электромагнитные помехи и повышает эффективность.К сожалению, за такое улучшение характеристик приходится платить: сложно разработать LLC-резонансный преобразователь, который может обеспечить плавное переключение для широкого диапазона нагрузок. С этой целью MPS разработала специальный инструмент для проектирования LLC, который помогает убедиться, что преобразователь работает именно в правильном резонансном состоянии для оптимальной эффективности переключения.

Рисунок 8: Жесткое переключение (слева) в сравнении с потерями при мягком переключении (справа)

Ранее в этой статье мы обсуждали, почему одним из ограничений источников питания переменного / постоянного тока являются размер и вес входного трансформатора, который из-за низкой рабочей частоты (50 Гц) требует больших катушек индуктивности и магнитных сердечников, чтобы избежать насыщения. .

В импульсных источниках питания частота колебаний напряжения значительно выше (как минимум выше 20 кГц). Это означает, что понижающий трансформатор может быть меньше, потому что высокочастотные сигналы генерируют меньше магнитных потерь в линейных трансформаторах. Уменьшение размеров входных трансформаторов позволяет миниатюризировать систему до такой степени, что весь блок питания помещается в корпус размером с зарядные устройства для мобильных телефонов, которые мы используем сегодня.

Существуют устройства постоянного тока, которым не требуется изоляция, обеспечиваемая трансформатором.Это обычно наблюдается в устройствах, к которым не нужно напрямую прикасаться пользователю, таких как освещение, датчики, IoT и т. Д., Потому что любые манипуляции с параметрами устройства выполняются с отдельного устройства, такого как мобильный телефон, планшет или компьютер.

Это дает большие преимущества с точки зрения веса, размера и производительности. Эти преобразователи снижают уровни выходного напряжения с помощью понижающего преобразователя высокого напряжения, также называемого понижающим преобразователем. Эту схему можно описать как инверсию повышающего преобразователя, описанного ранее.В этом случае, когда транзисторный ключ закрыт, ток, протекающий через катушку индуктивности, генерирует напряжение на катушке индуктивности, которое противодействует напряжению от источника питания, уменьшая напряжение на выходе. Когда переключатель размыкается, катушка индуктивности высвобождает ток, протекающий через нагрузку, поддерживая значение напряжения на нагрузке, в то время как цепь отключена от источника питания.

В импульсных источниках питания переменного / постоянного тока используется высоковольтный понижающий преобразователь, поскольку полевой МОП-транзистор, который действует как переключатель, должен выдерживать большие изменения напряжения (см. Рисунок 9) .Когда переключатель замкнут, напряжение на полевом МОП-транзисторе близко к 0 В; но когда он открывается, это напряжение возрастает до 400 В для однофазных приложений или до 800 В для трехфазных преобразователей. Эти большие резкие изменения напряжения могут легко повредить нормальный транзистор, поэтому используются специальные высоковольтные полевые МОП-транзисторы.

Рисунок 9: Неизолированный импульсный источник питания переменного / постоянного тока с активным PFC

Понижающие преобразователи

гораздо проще интегрировать, чем трансформаторы, потому что требуется только один индуктор.Они также намного более эффективны при понижении напряжения с нормальным КПД выше 95%. Такой уровень эффективности возможен, потому что транзисторы и диоды почти не имеют потерь мощности при переключении, поэтому единственные потери происходят от катушки индуктивности.

Одним из примеров неизолированного выходного стабилизатора переменного / постоянного тока является семейство MPS MP17xA. Это семейство может управлять многими различными топологиями преобразователя, такими как понижающий, повышающий, понижающий-повышающий или обратноходовой. Его можно использовать для напряжений до 700 В, то есть он предназначен для однофазных источников питания.У него также есть опция зеленого режима, в котором частота переключения и пиковый ток уменьшаются пропорционально нагрузке, повышая общую эффективность источника питания. На рис. 10 показана типичная прикладная схема MP173A, в которой он регулирует понижающий преобразователь, состоящий из катушки индуктивности (L1), диода (D1) и конденсатора (C4). Резисторы (R1 и R2) образуют делитель напряжения, который обеспечивает напряжение обратной связи (вывод FB), замыкая контур управления.

Рисунок 10: Типовая прикладная схема MP173A

Импульсные блоки питания переменного / постоянного тока

предлагают повышенную производительность при небольшом размере, что и сделало их такими популярными.Обратной стороной является то, что их схемы значительно сложнее, и они требуют более точных схем управления и фильтров шумоподавления. Несмотря на дополнительную сложность, MPS предлагает простые и эффективные решения, облегчающие разработку вашего источника питания переменного / постоянного тока.

Сводка

Импульсные блоки питания

AC / DC в настоящее время являются наиболее эффективным способом преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Преобразование мощности происходит в три этапа:

  1. Входное выпрямление: в этом процессе напряжение сети переменного тока преобразуется в выпрямленную волну постоянного тока с помощью диодного моста.На выходе моста добавлен конденсатор для уменьшения напряжения пульсаций.
  2. Коррекция коэффициента мощности (PFC): из-за нелинейного тока в выпрямителе гармоническая составляющая тока довольно велика. Есть два способа решить эту проблему. Первый — это пассивная коррекция коэффициента мощности, использующая фильтр для ослабления влияния гармоник, но он не очень эффективен. Второй вариант, называемый активным PFC, использует импульсный повышающий преобразователь, чтобы форма волны тока соответствовала форме входного напряжения.Активная коррекция коэффициента мощности — единственный метод проектирования преобразователя мощности, отвечающий современным стандартам размера и эффективности.
  3. Изоляция: Импульсные источники питания могут быть изолированными или неизолированными. Устройство изолируется, когда вход и выход источника питания физически не соединены. Изоляция осуществляется с помощью трансформаторов, которые гальванически изолируют две половины цепи. Однако трансформаторы могут передавать электроэнергию только при изменении тока, поэтому выпрямленное постоянное напряжение преобразуется в высокочастотную прямоугольную волну, которая затем передается во вторичную цепь, где снова выпрямляется и, наконец, передается на выход.

При проектировании импульсного источника питания необходимо учитывать множество различных аспектов, особенно связанных с безопасностью, производительностью, размером, весом и т. Д. Цепи управления для импульсных источников питания также более сложны, чем в линейных источниках питания, поэтому многие Разработчики считают полезным использование интегрированных модулей в своих источниках питания.

MPS предлагает широкий спектр модулей, которые могут упростить проектирование импульсных источников питания, таких как преобразователи мощности, контроллеры, выпрямители и многое другое.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Как выбрать блок питания

Руководство покупателя питания: основные сведения об источниках питания

Есть старая поговорка: «Используйте правильный инструмент для работы!» Но иногда для работы существует несколько «правильных инструментов», так как же узнать, какой из них использовать? Чтобы правильно выбрать источник питания, необходимо понять некоторые важные основы.

Линия электропитания Jameco Electronics включает широкий выбор источников питания. Они обеспечивают все ваши потребности в источниках питания, от настенных адаптеров и настольных источников питания до открытых / закрытых источников питания переменного тока в постоянный и преобразователей постоянного тока в постоянный / инверторов постоянного тока в переменный. Какой бы инструмент вы ни выбрали в качестве источника питания, вы можете быть уверены, что получите продукцию отличного качества, подходящую для вашей работы.

Условия подачи питания

Прежде всего, давайте проясним некоторые термины, которые часто сбивают с толку людей, но важны при выборе правильного источника питания для настенного адаптера.»Импульсные» источники питания переменного тока в постоянный по сравнению с «линейными» источниками питания часто вводят в заблуждение тех, кто с ними не знаком.

Линейные источники питания принимают входной переменный ток (обычно 120 или 240 В переменного тока), понижают напряжение с помощью трансформатора, затем выпрямляют и фильтруют входной сигнал в выход постоянного тока.

Импульсный источник питания принимает входной переменный ток, но сначала выпрямляет и фильтрует в постоянный ток, затем преобразует обратно в переменный ток на некоторой высокой частоте переключения, понижает напряжение с помощью трансформатора, затем выпрямляется и фильтруется в выход постоянного тока.

Разница между линейным и коммутационным процессами заключается в том, что они позволяют использовать разные компоненты. Линейный источник питания обычно менее эффективен, использует более крупный и тяжелый трансформатор, а также более крупные компоненты фильтра. Импульсный источник питания подразумевает более высокий КПД из-за высокой частоты переключения, что позволяет использовать более компактный и менее дорогой высокочастотный трансформатор, а также более легкие и менее дорогие компоненты фильтра. Импульсные источники питания содержат больше общих компонентов, поэтому, как правило, они дороже.

Примечание:
Существует разница между «переключением» на стороне входа и «переключением» на стороне выхода. То, что мы только что обсудили, относится к переключению на выходной стороне. Говоря о стороне входа, существует 2 типа «переключаемых» источников питания:

1) Переключение — автоматически переключает между входами переменного тока и частотами, или
2) Переключаемый — на источнике питания есть ручной переключатель, который меняет диапазон и частота входного переменного тока.

Суммирование, хотя линейный процесс кажется более эффективным из-за более короткого процесса, импульсный источник питания на самом деле более эффективен.


Astec ACV15N4.5 — Линейный источник питания 15 В, 4,5 А
Размер: 7,0 «Д x 4,8» Ш x 2,7 «В
Mean Well PS-65-15 — Импульсный источник питания 15 В, 4,2 А
Размер: 5,0″ Д x 3,0 «Ш x 1,7» В

Также возникает много вопросов, когда говорят о «регулируемых» и «нерегулируемых» источниках питания. Эти термины относятся к схеме управления источником питания.

В нерегулируемом источнике питания переключающий транзистор работает с постоянным рабочим циклом, поэтому нет ничего, что могло бы управлять выходом. Выходы не имеют определенного значения; вместо этого они слегка колеблются при приложении различных нагрузок.Только очень низкое напряжение приведет к отключению источника питания.

В регулируемом источнике питания выходная мощность поддерживается очень близкой к ее номинальной выходной мощности за счет изменения рабочего цикла для компенсации изменений нагрузки. Это обеспечивает лучшую защиту ваших устройств и более точные выходные данные.

Основные отличия регулируемых источников питания от нерегулируемых — это защита и цена. Регулируемые источники питания обеспечивают лучшую эффективность и защиту, но нерегулируемые источники питания значительно дешевле по стоимости.


Регулируемый линейный настенный адаптер Jameco ReliaPro 12 В, 1 А
1-шт. Цена: $ 14.95
Jameco ReliaPro 12V, 1A Нерегулируемый линейный настенный адаптер
, 1 шт. Цена: $ 9.95
Теперь, когда вы знаете, что искать, убедитесь, что у вас есть все необходимые детали. Если по какой-то причине вы не можете найти то, что вам нужно, просто напишите нам, и мы сделаем все возможное, чтобы найти это для вас.

Есть еще вопросы? Напишите нам на [адрес электронной почты защищен]

Вернуться в центр энергоресурсов >>

Switching Power, Inc.


Введение:

Компания SPI со штаб-квартирой на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, занимается производством импульсных источников питания с 1976 года. Имея более 44 лет опыта в отрасли производства источников питания, мы понимаем, что удовлетворенность клиентов является ключом к успеху. бизнес. Наши знания в области развития энергетики позволяют нам предлагать стандартные и индивидуальные продукты для широкого спектра электроники. Сила SPI — от корабельных до воздушных и от наземных до мобильных — заключается в использовании наших стандартных топологий строительных блоков для выполнения требований каждой отдельной программы.Это в сочетании с нашим высоким уровнем вертикальной интеграции приводит к подходу с низким уровнем риска и дает нам возможность быстро выполнять поставленные задачи.

Несколько известных достижений включают разработку линейного фильтра электромагнитных помех с малой утечкой и запатентованного пассивного модуля коррекции коэффициента мощности (рассчитанного на время наработки на отказ более одного миллиона часов). Совсем недавно мы запатентовали трехфазную входную топологию с активной коррекцией коэффициента мощности, которая нейтрализует все гармонические частоты линии электропередачи на выходных пульсациях, тем самым устраняя необходимость в дополнительных выходных LC-фильтрах (чрезвычайно надежные и экономящие вес!).

Скачать копию брошюры нашей компании — Брошюра компании

*** Политика качества *** «Политика Switching Power, Inc. заключается в поддержании Системы качества, которая поддерживает наши усилия по разработке и производству продукта, который соответствует ожиданиям клиентов или превосходит их.

Сотрудники Switching Power, Inc. стремятся к пониманию и соблюдение требований клиентов.Мы работаем над установлением и достижением целей в области качества и постоянным повышением эффективности системы менеджмента качества.

Цели нашей команды направлены на удовлетворение потребностей клиентов и предоставление продукт премиум-класса, чтобы мы могли быть нашими клиентами «Поставщик Первого Выбора» для продукты питания »




Условия продажи: Положения и условия
Фонд:

Завод

Удобно расположенный рядом с аэропортом Макартур (ISP), наш завод площадью 30 000 квадратных футов полностью готов под ключ и уникально подходит для проектирования и производства высоконадежных источников питания COTS и военного назначения.Наша деятельность включает в себя современное оборудование для нанесения париленового покрытия, намотки магнитов, изготовления листового металла (включая радиаторы) и современную инженерную лабораторию, в которой внедряются инновации.

Кроме того, SPI получил сертификаты системы качества ISO 9001: 2015 и AS 9100, ред. «D» и зарегистрирован в ITAR.

Указания к SPI

Полезные ссылки:

Куда летать — аэропорт Макартур Где остановиться — Hilton Garden Inn

Switching Power, Inc- Switching Power Supplies-Hot Swap Power Supplies

Импульсная мощность

Обзор:

Switching Power, Inc.является лидером в обеспечении импульсного передатчика мощности для многочисленных военных радаров. Наши прочные, многофункциональные блоки питания, отвечающие конкретным требованиям с использованием новейшей технологии COTS, прошли испытания в боевых условиях и доказали свою сверхнадежность. Эти программы включают: Радар AN / FPS-115 BMEWS / PAVE PAWS АН / ТПС-80 Г / АТОР Радар быстрого реагирования AN / TPQ-53
Многофункциональный радар управления огнем и наблюдения MEADS Иджис BMD и MMSP Радар АН / ТПС-59 Радиолокатор МРР AN / TPS-77 Радар AN / FPS-117 Радар AN / SPS-73 Радар MMSR TPS-79 Радар AN / TPS-703ss Радар АН / ТПС-63сс Радар АН / ТПС-78сс АСР-9 Радар и многие другие…

Конвекционное охлаждение

Таблицы входных данных трехфазного переменного тока:
1950 Вт, -4,0 В постоянного тока Выход: RAY-1950T
4000 Вт, + 40 В постоянного тока Выход: LMCO-4000S-40
4400 Вт, +28 В постоянного тока Выход: LMCO-4400
4400 Вт, + 48 В постоянного тока Выход: LMCO-4400
5 000 Вт, +52 В постоянного тока Выход: SRC-5000S-52V
5000 Вт, + 48 В постоянного тока Выход: FESX-5000P
5000 Вт, + 50 В постоянного тока Выход: XLS-5000S
5600 Вт, + 270 В постоянного тока Выход: SNS-5600S
5600 Вт, + 275 В постоянного тока Выход: LMCO-5600
6500 Вт, +50 В постоянного тока Выход: NOC-6500
11500 Вт, + 32 В постоянного тока Выход: SAPS-ES
15000 Вт, + 450 В постоянного тока Выход: ITT-15000S-450

Кондуктивное охлаждение

Таблицы входных данных однофазного переменного тока:
1000 Вт, +28 В постоянного тока, выход: SNS-GTR-1000S-28 Таблицы входных данных трехфазного переменного тока:
1500 Вт, +28 В постоянного тока Выход: VPX-1500S-3P
2000 Вт, +28 В постоянного тока Выход: LC-2000S 270Vdc Листы входных данных:
4000 Вт, +28 В постоянного тока Выход: CCX-4000S-270-28V
Не видите то, что ищете,
просто спросите… [email protected]

Switching Power, Inc. Блоки питания 1U с возможностью горячей замены

Серия HDX Обзор
:
Switching Power предлагает серию HDX «High Density», которая может похвастаться 18,75 Вт / куб. Дюйм в корпусе «1U»! Несколько выходов до 750 Вт и одиночные выходы до 1500 Вт на кассету. Включает резервный выход 5 В / 0,25 А с дополнительной возможностью I2C.

ОСОБЕННОСТИ:

  • ZVS Power Архитектура
  • Опция последовательной шины данных I2C
  • с возможностью горячей замены
  • Высокая мощность, до 1500 Вт
  • До 5 выходов
  • Встроенные светодиодные индикаторы состояния
  • Низкий профиль: 1.6 дюймов (41 мм) в высоту
  • ИЛИ диодов на всех выходах
  • V1, V2 и V3 Current Sharing
  • Универсальный вход 85-264 В переменного тока
  • 19-дюймовая стойка вмещает три устройства
  • Доступны версии для постоянного тока 18-40 В и 36-75 В постоянного тока


Версии входа переменного тока (90-264 В пер. Тока):
600 Вт, несколько выходов: HDX-600P
750 Вт, несколько выходов: HDX-750P
1200 Вт, один выход: HDX-1200P
1500 Вт, один выход: HDX-1500P Версии входа 48 В постоянного тока (36-75 В постоянного тока):
600 Вт, несколько выходов: HDX-600DC
800 Вт, один выход: HDX-800DC Версии входа 24/28 В постоянного тока (18-40 В постоянного тока):
300 Вт, несколько выходов: HDX-310DC
400 Вт, один выход: HDX-410DC Версия входа 250 В постоянного тока (125-350 В постоянного тока):
1200 Вт, HDX-1200DC с одним выходом Стоечные шкафы:
Технические характеристики входного переменного тока 1200 Вт HDXRK-1200AC
Технические данные входного переменного тока 2400 Вт HDXRK-2400AC
Технические данные входного постоянного тока 600 Вт HDXRK-600DC Примечание по применению I2C:
Шина I2C на 600 Вт: техническое описание: HDX-600P-I2C-техническое описание
Шина I2C мощностью 1200 Вт: техническое описание: HDX-1200P-I2C-техническое описание

Руководство по основам импульсного источника питания

Аннотация: Импульсные источники питания — популярный, а иногда и необходимый выбор для преобразования энергии постоянного тока в постоянный.Эти схемы предлагают явные преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными методами преобразования энергии постоянного тока. В этой статье представлен краткий обзор преимуществ и недостатков импульсных источников питания, а также предлагается простой обзор их работы и теории.

Эта статья также была опубликована в Maxim’s Engineering Journal, vol. 61 (PDF, 440кБ).

Учитывая, что многие электронные устройства требуют нескольких уровней постоянного напряжения, разработчикам нужен способ преобразования стандартных потенциалов источника питания в напряжения, определяемые нагрузкой.Преобразование напряжения должно быть универсальным, эффективным и надежным процессом. Импульсные источники питания (SMPS) часто используются для обеспечения различных уровней выходной мощности постоянного тока, необходимых для современных приложений, и незаменимы для создания высокоэффективных и надежных систем преобразования мощности постоянного тока в постоянный.

Почему SMPS?

Большинство электронных нагрузок постоянного тока питаются от стандартных источников питания. К сожалению, стандартные напряжения источника могут не соответствовать уровням, требуемым микропроцессорами, двигателями, светодиодами или другими нагрузками, особенно когда напряжение источника не регулируется.Устройства с батарейным питанием являются яркими примерами проблемы: типичное напряжение стандартной батареи Li + или NiMH либо слишком высокое / низкое, либо слишком сильно падает во время разряда для использования в обычных приложениях.

Универсальность

К счастью, универсальность SMPS решает проблему преобразования стандартного напряжения источника в пригодное для использования заданное выходное напряжение. Существует множество топологий SMPS, которые классифицируются по фундаментальным категориям — эти источники питания повышают, понижают, инвертируют или даже повышают и понижают входное напряжение.В отличие от линейных регуляторов, которые могут только понижать вход, SMPS привлекательны тем, что можно выбрать топологию, подходящую практически для любого выходного напряжения.

Настройка

Кроме того, современные ИС SMPS спроектированы с различными уровнями интеграции, что позволяет инженеру выбирать среди топологий с более или менее стандартными функциями SMPS, внесенными в ИС. Поступая таким образом, производители облегчают проектирование широко используемых источников питания для конкретных приложений или предлагают инженерам базовые ИС SMPS для индивидуальных проектов, тем самым повышая универсальность этих широко используемых устройств.

КПД

Инженеры также сталкиваются с другой распространенной проблемой — как эффективно преобразовать мощность постоянного тока. Например, часто требуется понизить входное напряжение для достижения более низкого выходного напряжения. Простым решением является использование линейного регулятора, поскольку для этого устройства требуется всего несколько конденсаторов и адекватное управление температурой. Однако там, где такая простота заканчивается, начинается неэффективность — даже до неприемлемых уровней, если разность напряжений велика.

КПД линейного регулятора напрямую зависит от мощности, падающей на проходной транзистор.Это падение мощности может быть значительным, поскольку рассеиваемая мощность равна I LDO × (V IN — V OUT ). Например, при понижении нагрузки 100 мА от батареи 3,6 В до выхода 1,8 В на линейном регуляторе падает 0,18 Вт. Это падение мощности дает низкий КПД 50%, что сокращает срок службы батареи на 50% (при условии идеальной работы).

Понимая эту потерю эффективности, добросовестный инженер стремится найти улучшенное решение, и именно здесь SMPS выделяется.Хорошо спроектированный SMPS может достичь КПД 90% или более, в зависимости от уровней нагрузки и напряжения. Как и в предыдущем примере, при использовании понижающего ИИП типа (рис. 1) вместо линейного регулятора наблюдается КПД 90%. Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Преимущество понижающего SMPS очевидно, и аналогичный или более высокий КПД наблюдается в других топологиях SMPS.


Рис. 1. MAX8640Y используется в простой понижающей цепи SMPS.

Хотя высокая эффективность является основным преимуществом конструкций SMPS, другие преимущества, естественно, возникают как прямой результат минимизации потерь мощности. Например, в SMPS наблюдается уменьшенный тепловой след по сравнению с его менее эффективными аналогами. Это преимущество означает снижение требований к управлению температурным режимом. Кроме того, что более важно, срок службы увеличивается за счет повышения надежности, поскольку компоненты не подвергаются чрезмерному нагреву, как это было бы в менее эффективной системе.

Топологии SMPS и теория преобразования

Как упоминалось в предыдущем разделе, SMPS могут преобразовывать входное напряжение постоянного тока в другое выходное напряжение постоянного тока в зависимости от топологии схемы. Хотя в мире инженерии используется множество топологий SMPS, три из них являются фундаментальными и встречаются чаще всего. Эти топологии (см. , рис. 2, ) классифицируются в соответствии с их функцией преобразования: понижающие (понижающие), повышающие (повышающие) и повышающие / понижающие (понижающие-повышающие или инверторные).Пути заряда / разряда индуктора, показанные на диаграммах на Рисунке 2, обсуждаются в следующих параграфах.


Рис. 2. Понижающий, повышающий и понижающий-повышающий составляющие основные топологии SMPS.

Все три основные топологии включают переключатель MOSFET, диод, выходной конденсатор и катушку индуктивности. МОП-транзистор, который является активно управляемым компонентом в схеме, подключен к контроллеру (не показан). Этот контроллер подает прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на затвор полевого МОП-транзистора, тем самым включая и выключая устройство.Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, контроллер определяет выходное напряжение SMPS и изменяет рабочий цикл (D) прямоугольного сигнала, определяя, как долго полевой МОП-транзистор остается включенным в течение каждого периода переключения (T S ). Значение D, которое представляет собой отношение времени включения прямоугольной волны к периоду ее переключения (T ON / T S ), напрямую влияет на напряжение, наблюдаемое на выходе SMPS. Эта взаимосвязь проиллюстрирована в уравнениях 4 и 5.

Включенное и выключенное состояния полевого МОП-транзистора делят схему SMPS на две фазы: фазу заряда и фазу разряда, каждая из которых описывает передачу энергии катушки индуктивности (см. петли на рисунке 2).Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время фазы зарядки, передается выходной нагрузке и конденсатору во время фазы разряда. Конденсатор поддерживает нагрузку, пока индуктор заряжается, и поддерживает выходное напряжение. Эта циклическая передача энергии между элементами схемы поддерживает выходное напряжение на должном уровне в соответствии с ее топологией.

Катушка индуктивности играет центральную роль в передаче энергии от источника к нагрузке во время каждого цикла переключения. Без него SMPS не работал бы при переключении MOSFET.Энергия (E), запасенная в катушке индуктивности (L), зависит от ее тока (I):

Таким образом, изменение энергии в катушке индуктивности измеряется по изменению ее тока (ΔI L ), что связано с к напряжению, приложенному к нему (V L ) в течение определенного периода времени (ΔT):

(ΔI L ) является линейным нарастанием, поскольку постоянное напряжение подается на катушку индуктивности во время каждой фазы переключения ( Рисунок 3 ). Напряжение индуктора во время фазы переключения можно определить, выполнив петлю напряжения Кирхгофа, уделяя особое внимание полярности и соотношениям V IN / V OUT .Например, напряжение индуктора повышающего преобразователя во время фазы разряда составляет — (V OUT — V IN ). Поскольку V OUT > V IN , напряжение на катушке индуктивности отрицательное.


Рисунок 3. Характеристики напряжения и тока подробно описаны для установившегося индуктора.

Во время фазы заряда полевой МОП-транзистор включен, диод имеет обратное смещение, и энергия передается от источника напряжения к катушке индуктивности (рис. 2). Ток индуктора нарастает, потому что напряжение V L положительное.Кроме того, выходная емкость передает энергию, накопленную в предыдущем цикле, на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Во время фазы разряда полевой МОП-транзистор отключается, а диод становится смещенным в прямом направлении и, следовательно, проводит ток. Поскольку источник больше не заряжает катушку индуктивности, клеммы катушки индуктивности меняют полярность, поскольку она отдает энергию нагрузке и пополняет выходной конденсатор (рис. 2). Ток катушки индуктивности снижается по мере передачи энергии в соответствии с тем же соотношением передачи, указанным ранее.

Циклы заряда / разряда повторяются и поддерживают установившееся состояние переключения. Во время перехода схемы в установившееся состояние ток индуктора нарастает до своего конечного уровня, который представляет собой суперпозицию постоянного тока и нарастающего переменного тока (или пульсирующего тока индуктора), возникающего во время двух фаз схемы (рисунок 3). Уровень постоянного тока связан с выходным током, но зависит от положения катушки индуктивности в цепи SMPS.

Импульсный ток должен быть отфильтрован SMPS, чтобы подавать на выход истинный постоянный ток.Это фильтрующее действие осуществляется выходным конденсатором, который мало противодействует высокочастотному переменному току. Нежелательная пульсация выходного тока проходит через выходной конденсатор и поддерживает заряд конденсатора, пока ток проходит на землю. Таким образом, выходной конденсатор также стабилизирует выходное напряжение. Однако в неидеальных приложениях эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора вызывает пульсации выходного напряжения, пропорциональные току пульсаций, протекающему через него.

Таким образом, энергия передается между источником, катушкой индуктивности и выходным конденсатором для поддержания постоянного выходного напряжения и питания нагрузки. Но как передача энергии ИИП определяет коэффициент преобразования выходного напряжения? Это соотношение легко вычислить, если понимать установившееся состояние применительно к периодическим сигналам.

Чтобы быть в устойчивом состоянии, переменная, которая повторяется с периодом T S , должна быть равна в начале и в конце каждого периода.Поскольку ток катушки индуктивности является периодическим из-за фаз заряда и разряда, описанных ранее, ток катушки индуктивности в начале периода ШИМ должен равняться току катушки индуктивности в конце. Это означает, что изменение тока индуктора во время фазы заряда (ΔI CHARGE ) должно соответствовать изменению тока индуктора во время фазы разряда (ΔI DISCHARGE ). Приравнивая изменение тока индуктора для фаз заряда и разряда, достигается интересный результат, который также называют правилом вольт-секунды:

Проще говоря, произведение напряжения индуктора на время во время каждой фазы цепи равно .Это означает, что, наблюдая за схемами SMPS на Рисунке 2, можно без особых усилий найти идеальные установившиеся отношения преобразования напряжения / тока. Для понижающей схемы петля напряжения Кирхгофа вокруг цепи фазы заряда показывает, что напряжение индуктора является разницей между V IN и V OUT . Аналогично, напряжение индуктора во время цепи фазы разряда составляет -V OUT . Используя правило вольт-секунды из уравнения 3, определяется следующий коэффициент преобразования напряжения:

Кроме того, входная мощность (P IN ) равна выходной мощности (P OUT ) в идеальной схеме.Таким образом, найден коэффициент преобразования тока:

Из этих результатов видно, что понижающий преобразователь снижает V IN в D раз, в то время как входной ток является D-кратным току нагрузки. В таблице 1 перечислены коэффициенты преобразования для топологий, изображенных на рисунке 2. Как правило, все коэффициенты преобразования SMPS можно найти с помощью метода, используемого для решения уравнений 3 и 5, хотя сложные топологии могут быть более трудными для анализа.

Таблица 1.Коэффициенты преобразования SMPS

Топология Коэффициент преобразования напряжения Коэффициент преобразования тока
Понижающий В ВЫХ / V ВХОД = D I IN / I OUT = D
Повышение В ВЫХ / V ВХОД = 1 / (1 — D) I ВХОД / I ВЫХ = 1 / (1 — D)
Повышение / понижение В ВЫХ / V ВХОД = D / (1 — D) I ВХОД / I ВЫХ = D / (1 — D)

Недостатки и недостатки ИИП

Конечно, высокий КПД, обеспечиваемый ИИП, имеет свои недостатки.Возможно, наиболее часто упоминаемая проблема импульсных преобразователей — это их склонность к излучению электромагнитных помех (EMI) и кондуктивным шумам. Электромагнитное излучение вызывается быстрыми переходами сигналов переключения тока и напряжения, которые существуют в цепях SMPS. Быстро меняющиеся напряжения в узле индуктора вызывают излучаемые электрические поля, в то время как токи быстрого переключения в контурах заряда / разряда создают магнитные поля. Однако кондуктивный шум распространяется на входные и выходные цепи, когда входные / выходные емкости SMPS и паразитные характеристики печатной платы представляют более высокие импедансы для коммутирующих токов.К счастью, правильное размещение компонентов и компоновка печатной платы могут успешно бороться с электромагнитными помехами и снижать уровень шума. SMPS

также могут быть довольно сложными и требовать дополнительных внешних компонентов, что может привести к увеличению общей стоимости источника питания. К счастью, большинство производителей ИС SMPS предоставляют подробную литературу не только о работе устройства, но и о правильном выборе внешних компонентов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *