Принцип работы импульсного блока питания: Основные принципы работы импульсного блока питания — Теория начинающим — Каталог статей

Содержание

Основные принципы работы импульсного блока питания — Теория начинающим — Каталог статей

Здесь мы поговорим об импульсных блоках питания (ИБП), которые на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах.

Прежде всего, эта статья посвящена для начинающих специалистов по ремонту электронной техники, поэтому материал будет изложен в упрощенной форме и поможет понять основные принципы работы ИБП.

Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый –выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ) и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.


Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1.

 

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток

Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо — схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – широтно – импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.

Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.

В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (рисунок 2).

Рисунок 2

 

 

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.

С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор

Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

В заключении хотелось более подробно остановиться на достоинствах ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП т.к. меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 80%. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.

К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5В) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 В. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

 

Виктор Малышев

Принцип работы компьютерного блока питания

Статья написана на основе книги А.В.Головкова и В.Б Любицкого»БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT» Материал взят с сайта интерлавка. Переменное напряжение сети подается через сетевой выключатель PWR SW через сетевой предохранитель F101 4А, помехоподавляющие фильтры, образованные элементами С101, R101, L101, С104, С103, С102 и дроссели И 02, L103 на: 
• выходной трехконтактный разъем, к которому может подстыковываться кабель питания дисплея;
• двухконтактный разъем JP1, ответная часть которого находится на плате.
С разъема JP1 переменное напряжение сети поступает на:
• мостовую схему выпрямления BR1 через терморезистор THR1;
• первичную обмотку пускового трансформатора Т1.

На выходе выпрямителя BR1 включены сглаживающие емкости фильтра С1, С2. Терморезистор THR ограничивает начальный бросок зарядного тока этих конденсаторов. Переключатель 115V/230V SW обеспечивает возможность питания импульсного блока питания как от сети 220-240В, так и от сети 110/127 В.

Высокооомные резисторы R1, R2, шунтирующие конденсаторы С1, С2 являются симметрирующими (выравнивают напряжения на С1 и С2), а также обеспечивают разрядку этих конденсаторов после выключения импульсного блока питания из сети. Результатом работы входных цепей является появление на шине выпрямленного напряжения сети постоянного напряжения Uep, равного +310В, с некоторыми пульсациями. В данном импульсном блоке питания используется схема запуска с принудительным (внешним) возбуждением, которая реализована на специальном пусковом трансформаторе Т1, на вторичной обмотке которого после включения блока питания в сеть появляется переменное напряжение с частотой питающей сети. Это напряжение выпрямляется диодами D25, D26, которые образуют со вторичной обмоткой Т1 двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. СЗО — сглаживающая емкость фильтра, на которой образуется постоянное напряжение, используемое для питания управляющей микросхемы U4. 

В качестве управляющей микросхемы в данном импульсном блоке питания традиционно используется ИМС TL494.

Питающее напряжение с конденсатора СЗО подается на вывод 12 U4. В результате на выводе 14 U4 появляется выходное напряжение внутреннего опорного источника Uref=-5B, запускается внутренний генератор пилообразного напряжения микросхемы, а на выводах 8 и 11 появляются управляющие напряжения, которые представляют собой последовательности прямоугольных импульсов с отрицательными передними фронтами, сдвинутые друг относительно друга на половину периода. Элементы С29, R50, подключенные к выводам 5 и 6 микросхемы U4 определяют частоту пилообразного напряжения, вырабатываемого внутренним генератором микросхемы. 

Согласующий каскад в данном импульсном блоке питания выполнен по бестранзисторной схеме с раздельным управлением. Напряжение питания с конденсатора СЗО подается в средние точки первичных обмоток управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Выходные транзисторы ИМС U4 выполняют функции транзисторов согласующего каскада и включены по схеме с ОЭ. Эмиттеры обоих транзисторов (выводы 9 и 10 микросхемы) подключены к «корпусу». Коллекторными нагрузками этих транзисторов являются первичные полуобмотки управляющих трансформаторов Т2, ТЗ, подключенные к выводам 8, 11 микросхемы U4 (открытые коллекторы выходных транзисторов). Другие половины первичных обмоток Т2, ТЗ с подключенными к ним диодами D22, D23 образуют цепи размагничивания сердечников этих трансформаторов.

Трансформаторы Т2, ТЗ управляют мощными транзисторами полумостового инвертора. 

Переключения выходных транзисторов микросхемы вызывают появление импульсных управляющих ЭДС на вторичных обмотках управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Под действием этих ЭДС силовые транзисторы Q1, Q2 попеременно открываются с регулируемыми паузами («мертвыми зонами»). Поэтому через первичную обмотку силового импульсного трансформатора Т5 протекает переменный ток в виде пилообразных токовых импульсов. Это объясняется тем, что первичная обмотка Т5 включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано транзисторами Q1, Q2, а другое — конденсаторами С1, С2. Поэтому при открывании какого-либо из транзисторов Q1, Q2 первичная обмотка Т5 оказывается подключена к одному из конденсаторов С1 или С2, что и обуславливает протекание через нее тока в течение всего времени, пока открыт транзистор.
Демпферные диоды D1, D2 обеспечивают возврат энергии, запасенной в индуктивности рассеяния первичной обмотки Т5 за время закрытого состояния транзисторов Q1, Q2 обратно в источник (рекуперация).

Цепочка С4, R7, шунтирующая первичную обмотку Т5, способствует подавлению высокочастотных паразитных колебательных процессов, которые возникают в контуре, образованном индуктивностью первичной обмотки Т5 и ее меж-витковой емкостью, при закрываниях транзисторов Q1, Q2, когда ток через первичную обмотку резко прекращается. 

Конденсатор СЗ, включенный последовательно с первичной обмоткой Т5, ликвидирует постоянную составляющую тока через первичную обмотку Т5, исключая тем самым нежелательное подмагничивание его сердечника.

Резисторы R3, R4 и R5, R6 образуют базовые делители для мощных транзисторов Q1, Q2 соответственно и обеспечивают оптимальный режим их переключения с точки зрения динамических потерь мощности на этих транзисторах. 

Протекание переменного тока через первичную обмотку Т5 обуславливает наличие знакопеременных прямоугольных импульсных ЭДС на вторичных обмотках этого трансформатора.
Силовой трансформатор Т5 имеет три вторичные обмотки, каждая из которых имеет вывод от средней точки.
Обмотка IV обеспечивает получение выходного напряжения +5В. Диодная сборка SD2 (полумост) образует с обмоткой IV двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой (средняя точка обмотки IV заземлена).
Элементы L2, СЮ, С11, С12 образуют сглаживающий фильтр в канале +5В.
Для подавления паразитных высокочастотных колебательных процессов, возникающих при коммутациях диодов сборки SD2, эти диоды за-шунтированы успокаивающими RC-цепочками С8, R10nC9, R11.

Диоды сборки SD2 представляют собой диоды с барьером Шоттки, чем достигается необходимое быстродействие и повышается КПД выпрямителя. 

Обмотка III совместно с обмоткой IV обеспечивает получение выходного напряжения +12В вместе с диодной сборкой (полумостом) SD1. Эта сборка образует с обмоткой III двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. Однако средняя точка обмотки III не заземлена, а подключена к шине выходного напряжения +5В. Это даст возможность использовать диоды Шоттки в канале выработки +12В, т.к. обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямителя при таком включении, уменьшается до допустимого для диодов Шоттки уровня.

Элементы L1, С6, С7 образуют сглаживающий фильтр в канале +12В. 

Резисторы R9, R12 предназначены для ускорения разрядки выходных конденсаторов шин +5В и +12В после выключения ИБП из сети.
RC-цепочка С5, R8 предназначена для подавления колебательных процессов, возникающих в паразитном контуре, образованном индуктивностью обмотки III и ее межвитковой емкостью.
Обмотка И с пятью отводами обеспечивает получение отрицательных выходных напряжений -5В и-12В.
Два дискретных диода D3, D4 образуют полумост двухполупериодного выпрямления в канале выработки -12В, а диоды D5, D6 — в канале -5В.
Элементы L3, С14 и L2, С12 образуют сглаживающие фильтры для этих каналов.
Обмотка II, также как и обмотка III, зашунтиро-вана успокоительной RC-цепочкой R13, С13.

Средняя точка обмотки II заземлена. 

Стабилизация выходных напряжений осуществляются разными способами в разных каналах.
Отрицательные выходные напряжения -5В и -12В стабилизируются при помощи линейных интегральных трехвыводных стабилизаторов U4 (типа 7905) и U2 (типа 7912).
Для этого на входы этих стабилизаторов подаются выходные напряжения выпрямителей с конденсаторов С14, С15. На выходных конденсаторах С16, С17 получаются стабилизированные выходные напряжения -12В и -5В.
Диоды D7, D9 обеспечивают разрядку выходных конденсаторов С16, С17 через резисторы R14, R15 после выключения импульсного блока питания из сети. Иначе эти конденсаторы разряжались бы через схему стабилизаторов, что нежелательно.
Через резисторы R14, R15 разряжаются и конденсаторы С14, С15.

Диоды D5, D10 выполняют защитную функцию в случае пробоя выпрямительных диодов. 

Если хотя бы один из этих диодов (D3, D4, D5 или D6) окажется «пробитым», то в отсутствие диодов D5, D10 ко входу интегрального стабилизатора U1 (или U2) прикладывалось бы положительное импульсное напряжение, а через электролитические конденсаторы С14 или С15 протекал бы переменный ток, что привело бы к выходу их из строя.
Наличие диодов D5, D10 в этом случае устраняет возможность возникновения такой ситуации, т.к. ток замыкается через них.
Например, в случае, если «пробит» диод D3, положительная часть периода, когда D3 должен быть закрыт, ток замкнется по цепи: к-а D3 — L3 -D7- D5- «корпус».
Стабилизация выходного напряжения +5В осуществляется методом ШИМ. Для этого к шине выходного напряжения +5В подключен измерительный резистивный делитель R51, R52. Сигнал, пропорциональный уровню выходного напряжения в канале +5В, снимается с резистора R51 и подается на инвертирующий вход усилителя ошибки DA3 (вывод 1 управляющей микросхемы). На прямой вход этого усилителя (вывод 2) подается опорный уровень напряжения, снимаемый с резистора R48, входящего в делитель VR1, R49, R48, который подключен к выходу внутреннего опорного источника микросхемы U4 Uref=+5B. При изменениях уровня напряжения на шине +5В под воздействием различных дестабилизирующих факторов происходит изменение величины рассогласования (ошибки) между опорным и контролируемым уровнями напряжения на входах усилителя ошибки DA3. В результате ширина (длительность) управляющих импульсов на выводах 8 и 11 микросхемы U4 изменяется таким образом, чтобы вернуть отклонившееся выходное напряжение +5В к номинальному значению (при уменьшении напряжения на шине +5В ширина управляющих импульсов увеличивается, а при увеличении этого напряжения -уменьшается).
Устойчивая (без возникновения паразитной генерации) работа всей петли регулирования обеспечивается за счет цепочки частотно-зависимой отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель ошибки DA3. Эта цепочка включается
между выводами 3 и 2 управляющей микросхемы U4 (R47, С27).

Выходное напряжение +12В в данном ИБП не стабилизируется. 

Регулировка уровня выходных напряжений в данном ИБП производится только для каналов +5В и +12В. Эта регулировка осуществляется за счет изменения уровня опорного напряжения на прямом входе усилителя ошибки DA3 при помощи подстроечного резистора VR1.
При изменении положения движка VR1 в процессе настройки ИБП будет изменяться в некоторых пределах уровень напряжения на шине +5В, а значит и на шине +12В, т.к. напряжение с шины +5В подается в среднюю точку обмотки III.

Комбинированная зашита данного ИБП включает в себя: 

• ограничивающую схему контроля ширины управляющих импульсов;
• полную схему защиты от КЗ в нагрузках;
• неполную схему контроля выходного перенапряжения (только на шине +5В).

Рассмотрим каждую из этих схем. 

Ограничивающая схема контроля использует в качестве датчика трансформатор тока Т4, первичная обмотка которого включена последовательно с первичной обмоткой силового импульсного трансформатора Т5.
Резистор R42 является нагрузкой вторичной обмотки Т4, а диоды D20, D21 образуют двухпо-лупериодную схему выпрямления знакопеременного импульсного напряжения, снимаемого с нагрузки R42.

Резисторы R59, R51 образуют делитель. Часть напряжения сглаживается конденсатором С25. Уровень напряжения на этом конденсаторе пропорционально зависит от ширины управляющих импульсов на базах силовых транзисторов Q1, Q2. Этот уровень через резистор R44 подается на инвертирующий вход усилителя ошибки DA4 (вывод 15 микросхемы U4). Прямой вход этого усилителя (вывод 16) заземлен. Диоды D20, D21 включены так, что конденсатор С25 при протекании тока через эти диоды заряжается до отрицательного (относительно общего провода) напряжения. 

В нормальном режиме работы, когда ширина управляющих импульсов не выходит за допустимые пределы, потенциал вывода 15 положителен, благодаря связи этого вывода через резистор R45 с шиной Uref. При чрезмерном увеличении ширины управляющих импульсов по какой-либо причине, отрицательное напряжение на конденсаторе С25 возрастает, и потенциал вывода 15 становится отрицательным. Это приводит к появлению выходного напряжения усилителя ошибки DA4, которое до этого было равно 0В. Дальнейший рост ширины управляющих импульсов приводит к тому, что управление переключениями ШИМ-ком-паратора DA2 передается к усилителю DA4, и последующего за этим увеличения ширины управляющих импульсов уже не происходит (режим ограничения), т.к. ширина этих импульсов перестает зависеть от уровня сигнала обратной связи на прямом входе усилителя ошибки DA3. 

Схема защиты от КЗ в нагрузках условно может быть разделена на защиту каналов выработки положительных напряжений и защиту каналов выработки отрицательных напряжений, которые схемотехнически реализованы примерно одинаково.
Датчиком схемы защиты от КЗ в нагрузках каналов выработки положительных напряжений (+5В и +12В) является диодно-резистивный делитель D11, R17, подключенный между выходными шинами этих каналов. Уровень напряжения на аноде диода D11 является контролируемым сигналом. В нормальном режиме работы, когда напряжения на выходных шинах каналов +5В и +12В имеют номинальные величины, потенциал анода диода D11 составляет около +5,8В, т.к. через делитель-датчик протекает ток с шины +12В на шину +5В по цепи: шина +12В — R17- D11 — шина +56.

Контролируемый сигнал с анода D11 подается на резистивный делитель R18, R19. Часть этого напряжения снимается с резистора R19 и подается на прямой вход компаратора 1 микросхемы U3 типа LM339N. На инвертирующий вход этого компаратора подается опорный уровень напряжения с резистора R27 делителя R26, R27, подключенного к выходу опорного источника Uref=+5B управляющей микросхемы U4. Опорный уровень выбран таким, чтобы при нормальном режиме работы потенциал прямого входа компаратора 1 превышал бы потенциал инверсного входа. Тогда выходной транзистор компаратора 1 закрыт, и схема ИБП нормально функционирует в режиме ШИМ. 

В случае КЗ в нагрузке канала +12В, например, потенциал анода диода D11 становится равным 0В, поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 1 станет выше, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора откроется. Это вызовет закрывание транзистора Q4, который нормально открыт током базы, протекающим по цепи: шина Upom — R39 — R36 -б-э Q4 — «корпус».

Открывание выходного транзистора компаратора 1 подключает резистор R39 к «корпусу», и поэтому транзистор Q4 пассивно закрывается нулевым смещением. Закрывание транзистора Q4 влечет за собой зарядку конденсатора С22, который выполняет функцию звена задержки срабатывания защиты. Задержка необходима из тех соображений, что в процессе выхода ИБП на режим, выходные напряжения на шинах +5В и +12В появляются не сразу, а по мере зарядки выходных конденсаторов большой емкости. Опорное же напряжение от источника Uref, напротив, появляется практически сразу же после включения ИБП в сеть. Поэтому в пусковом режиме компаратор 1 переключается, его выходной транзистор открывается, и если бы задерживающий конденсатор С22 отсутствовал, то это привело бы к срабатыванию защиты сразу при включении ИБП в сеть. Однако в схему включен С22, и срабатывание защиты происходит лишь после того как напряжение на нем достигнет уровня, определяемого номиналами резисторов R37, R58 делителя, подключенного к шине Upom и являющегося базовым для транзистора Q5. Когда это произойдет, транзистор Q5 открывается, и резистор R30 оказывается подключен через малое внутреннее сопротивление этого транзистора к «корпусу». Поэтому появляется путь для протекания тока базы транзистора Q6 по цепи: Uref — э-6 Q6 — R30 — к-э Q5 -«корпус». 

Транзистор Q6 открывается этим током до насыщения, в результате чего напряжение Uref=5B, которым запитан по эмиттеру транзистор Q6, оказывается приложенным через его малое внутреннее сопротивление к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Это, как было показано ранее, ведет к останову работы цифрового тракта микросхемы, пропаданию выходных управляющих импульсов и прекращению переключении силовых транзисторов Q1, Q2, т.е. к защитному отключению. КЗ в нагрузке канала +5В приведет к тому, что потенциал анода диода D11 будет составлять всего около +0.8В. Поэтому выходной транзистор компаратора (1) окажется открыт, и произойдет защитное отключение.
Аналогичным образом построена защита от КЗ в нагрузках каналов выработки отрицательных напряжений (-5В и -12В) на компараторе 2 микросхемы U3. Элементы D12, R20 образуют диодно-резистивный делитель-датчик, подключаемый между выходными шинами каналов выработки отрицательных напряжений. Контролируемым сигналом является потенциал катода диода D12. При КЗ в нагрузке канала -5В или -12В, потенциал катода D12 повышается (от -5,8 до 0В при КЗ в нагрузке канала -12В и до -0,8В при КЗ в нагрузке канала -5В). В любом из этих случаев открывается нормально закрытый выходной транзистор компаратора 2, что и обуславливает срабатывание защиты по приведенному выше механизму. При этом опорный уровень с резистора R27 подается на прямой вход компаратора 2, а потенциал инвертирующего входа определяется номиналами резисторов R22, R21. Эти резисторы образуют двуполярно запитанный делитель (резистор R22 подключен к шине Uref=+5B, а резистор R21 — к катоду диода D12, потенциал которого в нормальном режиме работы ИБП, как уже отмечалось, составляет -5,8В). Поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 2 в нормальном режиме работы поддерживается меньшим, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора будет закрыт.

Защита от выходного перенапряжения на шине +5В реализована на элементах ZD1, D19, R38, С23. Стабилитрон ZD1 (с пробивным напряжением 5,1В) подключается к шине выходного напряжения +5В. Поэтому, пока напряжение на этой шине не превышает +5,1 В, стабилитрон закрыт, а также закрыт транзистор Q5. В случае увеличения напряжения на шине +5В выше +5,1В стабилитрон «пробивается», и в базу транзистора Q5 течет отпирающий ток, что приводит к открыванию транзистора Q6 и появлению напряжения Uref=+5B на выводе 4 управляющей микросхемы U4, т.е. к защитному отключению. Резистор R38 является балластным для стабилитрона ZD1. Конденсатор С23 предотвращает срабатывание защиты при случайных кратковременных выбросах напряжения на шине +5В (например, в результате установления напряжения после скачкообразного уменьшения тока нагрузки). Диод D19 является развязывающим. 

Схема образования сигнала PG в данном импульсном блоке питания является двухфункциональной и собрана на компараторах (3) и (4) микросхемы U3 и транзисторе Q3. 

Схема построена на принципе контроля наличия переменного низкочастотного напряжения на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1, которое действует на этой обмотке лишь при наличии питающего напряжения на первичной обмотке Т1, т.е. пока импульсный блок питания включен в питающую сеть.
Практически сразу после включения ИБП в питающую сеть появляется вспомогательное напряжение Upom на конденсаторе СЗО, которым запитывается управляющая микросхема U4 и вспомогательная микросхема U3. Кроме того, переменное напряжение со вторичной обмотки пускового трансформатора Т1 через диод D13 и то-коограничивающий резистор R23 заряжает конденсатор С19. Напряжением с С19 запитывается резистивный делитель R24, R25. С резистора R25 часть этого напряжения подается на прямой вход компаратора 3, что приводит к закрыванию его выходного транзистора. Появляющееся сразу вслед за этим выходное напряжение внутреннего опорного источника микросхемы U4 Uref=+5B за-питывает делитель R26, R27. Поэтому на инвертирующий вход компаратора 3 подается опорный уровень с резистора R27. Однако этот уровень выбран меньшим, чем уровень на прямом входе, и поэтому выходной транзистор компаратора 3 остается в закрытом состоянии. Поэтому начинается процесс зарядки задерживающей емкости С20 по цепи: Upom — R39 — R30 — С20 — «корпус».
Растущее по мере зарядки конденсатора С20 напряжение подается на инверсный вход 4 микросхемы U3. На прямой вход этого компаратора подается напряжение с резистора R32 делителя R31, R32, подключенного к шине Upom. Пока напряжение на заряжающемся конденсаторе С20 не превышает напряжения на резисторе R32, выходной транзистор компаратора 4 закрыт. Поэтому в базу транзистора Q3 протекает открывающий ток по цепи: Upom — R33 — R34 — 6-э Q3 — «корпус».
Транзистор Q3 открыт до насыщения, а сигнал PG, снимаемый с его коллектора, имеет пассивный низкий уровень и запрещает запуск процессора. За это время, в течение которого уровень напряжения на конденсаторе С20 достигает уровня на резисторе R32, импульсный блок питания успевает надежно выйти в номинальный режим работы, т.е. все его выходные напряжения появляются в полном объеме.
Как только напряжение на С20 превысит напряжение, снимаемое с R32, компаратор 4 переключится, него выход ной транзистор откроется.
Это повлечет за собой закрывание транзистора Q3, и сигнал PG, снимаемый с его коллекторной нагрузки R35, становится активным (Н-уровня) и разрешает запуск процессора.
При выключении импульсного блока питания из сети на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1 переменное напряжение исчезает. Поэтому напряжение на конденсаторе С19 быстро уменьшается из-за малой емкости последнего (1 мкф). Как только падение напряжения на резисторе R25 станет меньше, чем на резисторе R27, компаратор 3 переключится, и его выходной транзистор откроется. Это повлечет за собой защитное отключение выходных напряжений управляющей микросхемы U4, т.к. откроется транзистор Q4. Кроме того, через открытый выходной транзистор компаратора 3 начнется процесс ускоренной разрядки конденсатора С20 по цепи: (+)С20 — R61 — D14 — к-э выходного транзистора компаратора 3 — «корпус».

Как только уровень напряжения на С20 станет меньше, чем уровень напряжения на R32, компаратор 4 переключится, и его выходной транзистор закроется. Это повлечет за собой открывание транзистора Q3 и переход сигнала PG в неактивный низкий уровень до того, как начнут недопустимо уменьшаться напряжения на выходных шинах ИБП. Это приведет к инициализации сигнала системного сброса компьютера и к исходному состоянию всей цифровой части компьютера. 

Оба компаратора 3 и 4 схемы выработки сигнала PG охвачены положительными обратными связями с помощью резисторов R28 и R60 соответственно, что ускоряет их переключение.
Плавный выход на режим в данном ИБП традиционно обеспечивается при помощи формирующей цепочки С24, R41, подключенной к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Остаточное напряжение на выводе 4, определяющее максимально возможную длительность выходных импульсов, задается делителем R49, R41.
Питание двигателя вентилятора осуществляется напряжением с конденсатора С14 в канале выработки напряжения -12В через дополнительный развязывающий Г-образный фильтр R16, С15.

Сайт Кравченко К.В.

Импульсные источники питания.

<<< Назад   Титульный   Глава 2 >>>

Сайт Кравченко К.В.: www.kkbweb.narod.ru

E-mail: [email protected]

 

Казалось бы, что еще надо? Проще не придумаешь! Трансформатор, мостовой выпрямитель и фильтр – все просто и понятно. Так нет, напридумывали всяких импульсных блоков питания, ломай себе голову! Каждая уважающая себя фирма лепит свои блоки, по своим схемам, а бедный владелец думай как хочешь – самому ремонтировать сильно сложно и непонятно, а в мастерской сдерут три шкуры!

 

Так вот, я хочу сказать, что ничего особо сложного в импульсных блоках питания нет. Да, ИБП сложнее, чем обычные блоки питания. Но это потому, что к функциям ИБП относятся не только получение питающих напряжений, но и стабилизация их величин, а также защита самого ИБП и каскадов, которые от него питаются, от различных неприятностей.

Если вы немного знаете радиотехнику, знаете, как работает обычный блок питания, то эта статья для вас. Ну, начнем!

Первоначальное распространение ИБП получили преимущественно в телевизионных приемниках, в дальнейшем — в видеомагнитофонах и другой видеоаппаратуре, что объясняется в основном двумя причинами. Во-первых, чувствительность ТВ и ВМ к создаваемым импульсным БП помехам значительно ниже, чем, например, аппаратуры звуковоспроизведения, особенно высококачественного. Во-вторых, ТВ и ВМ  отличаются относительным постоянством и сравнительно небольшой величиной (10…80 Вт) мощности, потребляемой в нагрузке. Колебания этой мощности в ТВ обусловлены изменениями яркости экрана при смене сюжетов и составляет не более 20 Вт (приблизительно 30 % максимальной потребляемой мощности). Для ВМ колебания мощности, потребляемой в нагрузке возникают, в основном, только при переключении режимов работы ЛПМ и составляют не более нескольких единиц Ватт. Для примера, в стереофоническом усилителе с выходной мощностью 2 х 20 Вт колебания мощности достигают 70-80 Вт (приблизительно 70-80 % максимальной потребляемой мощности). Поэтому для этого класса радиоаппаратуры ИБП получаются более дорогостоящими из-за необходимости использования мощных двухтактных схем преобразователей (конверторов), более сложных стабилизаторов, фильтров и т.д.

В связи с этим, конструкторы как более ранних, так и современных моделей ТВ и ВМ. как правило, придерживаются хорошо зарекомендовавших себя с точки зрения надежности, экономичности и простоты принципов построения импульсных блоков питания. Основные усилия направляются, в первую очередь, на совершенствование и микроминиатюризацию элементной базы; повышение надежности ИБП (в том числе путем введения различных защит) и расширение рабочего диапазона питающего их напряжения сети.

Сердце импульсных источников питания — автогенератор

Несмотря на большое разнообразие схем ИБП принцип работы большинства их одинаков. Выпрямленное напряжение сети питает однотактный автогенератор, нагрузкой которого является импульсный трансформатор со вторичными выпрямителями, от которых питаются все потребители. Автогенератор выполнен по схеме с глубокой индуктивной положительной обратной связью. Транзистор автогенератора работает в ключевом режиме. Когда транзистор открыт, происходит накопление энергии в импульсном трансформаторе, когда закрыт – энергия отдается в нагрузку.

На рис. 1 показана схема собственно автогенератора. Работает он так:

в начальный момент транзистор (ключ) VT1 закрыт. При подаче питания через R1 начинает течь небольшой ток, создающий напряжение смещения на базе ключа Uбэ, достаточное для того, чтобы вызвать небольшой ток коллектора ключа Iк, и, соответственно, через коллекторную обмотку трансформатора Iтр (см. рис.1а,б,в). По законам физики, изменение тока в обмотке I вызовет появление ЭДС индукции, которая препятствует изменению тока в обмотке и вызывает напряжения взаимоиндукции в обмотках обратной связи II и в выходной обмотке III. Обмотки включены таким образом, что на верхнем выводе обмотки III будет «минус», а на верхнем выводе обмотки II «плюс». Диод D1 будет заперт и не будет мешать, а с обмотки II «плюс» окажется приложен к базе ключа и вызовет появление дополнительного напряжения, что в свою очередь вызовет увеличение тока коллектора ключа. А увеличение тока коллектора и обмотки I вызовет увеличение напряжения на базе и так далее, то есть, произойдет лавинообразное нарастание тока коллектора. Это нарастание будет происходить, пока транзистор не войдет в режим насыщения. Это такой режим, когда транзистор физически не может пропустить больший ток. Нарастание тока прекращается. Напряжение взаимоиндукции становится равным нулю так как изменения тока через обмотку I больше не происходит, то есть на обмотках II и III напряжение исчезает. Вызвавшее такой ток коллектора напряжение на базе резко уменьшается. И ток коллектора становится небольшим. Но ток в обмотке I из-за инерционности индуктивности обмотки мгновенно уменьшиться не может. В обмотке накопилась энергия и, чтобы ток стал равным нулю, нужно эту энергию израсходовать. Ток обмотки начинает плавно уменьшаться. Так как нарастание тока и его убывание процессы противоположные, то произойдет переполюсовка ЭДС индукции, которая теперь будет направлена противоположно ЭДС при нарастании тока обмотки. При этом на обмотке возникнет импульс напряжения, который приложен «плюсом» к коллектору транзистора, а «минусом» — к «плюсу» источника питания. В результате между коллектором и эмиттером ключа возникнет импульс напряжения 500-600 В. Появление ЭДС индукции вызовет появление напряжений взаимоиндукции в обмотках II и III также другой полярности. При этом напряжение «минус» с обмотки обратной связи II надежно закроет ключ, а напряжение «плюс» с обмотки III откроет диод D1 и начнет заряжаться конденсатор C2 (см. рис.1г). Чем больше ток заряда, то есть чем быстрее израсходуется энергия трансформатора, тем быстрее процесс повторится.

Сложно? Сначала, может быть, да. Вникните, почитайте школьный учебник про свойства индуктивности. Разберитесь. Остальное будет проще!

Продолжим. Итак, сердцем импульсного блока питания является автогенератор. Причем, любого. Обязательными элементами его являются импульсный трансформатор и транзистор – ключ. Вторичных обмоток у трансформатора может быть несколько – это не имеет значения. Обязательной является обмотка обратной связи.

Подавляющее большинство ИБП выполняется по схеме, где функции генерации, управления и стабилизации напряжений вторичных источников питания совмещены. Объединение несколько функций в одном устройстве упрощает схему устройства, уменьшает потери, облегчает режим работы выходного транзистора, уменьшает габариты. Кроме того, все эти функции взаимосвязаны, поэтому их реализация труда не представляет. У таких ИБП система стабилизации перенесена из вторичных обмоток трансформатора в первичную обмотку, где значения токов уменьшены на коэффициент, равный коэффициенту трансформации. Выпрямительные диоды сетевого напряжения также перенесены в сторону первичной цепи, вследствие чего через диоды будут протекать токи, тоже уменьшенные в коэффициент трансформации раз. При этом силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, исключается, а вместо него вводится импульсный трансформатор, работающий на частоте до 100 кГц с ферритовым магнитопроводом и имеющий в несколько раз меньшие габаритные размеры и массу. Кроме того, уменьшаются габариты фильтров вторичных выпрямителей, так как при частоте 30-100 кГц для получения хорошей фильтрации нужны существенно меньшие емкости фильтров и можно обойтись без дросселей. Поэтому при тех же параметрах блока питания габариты ИБП в десятки раз меньше габаритов обычного 50 – герцового блока питания.

Функциональная схема ИБП

Разбирая упрощенную функциональную схему ИБП, представленную на рис.2, кое в чем повторюсь

. Ее основными функциональными узлами являются сетевой выпрямитель Р со сглаживающим емкостным фильтром Сф, ключевой преобразователь напряжения (автогенератор) с импульсным трансформатором, устройство управления (контроллер) с цепью обратной связи и вторичный выпрямитель импульсных напряжений VD1, С1.

 Рис 2

Напряжение сети 220 В поступает на выпрямитель Р со сглаживающим емкостным фильтром Сф. С конденсатора фильтра Сф выпрямленное напряжение через обмотку W1 трансформатора Т поступает на коллектор транзистора VT, выполняющего функций ключевого преобразователя постоянного напряжения в импульсное с частотой повторения 15-100 кГц. Ключевой преобразователь представляет собой импульсный генератор, работающий в режиме самовозбуждения. На рис. 3 приведены временные диаграммы преобразователя. В течение времени ∆Т, когда транзистор открыт, через первичную обмотку W1 трансформатора протекает линейно нарастающий ток Iк. В сердечнике трансформатора запасается энергия магнитного поля.

 Когда транзистор закрывается, на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора W2 появляется положительный потенциал и накопленная энергия передается в нагрузку через диод VD1. В стационарном режиме напряжение на выходе

 где n == W1/W2 — коэффициент трансформации.

Изменяя ∆Т, т. е. время, в течение которого открыт транзистор преобразователя, можно регулировать выходное напряжение. Размахи импульсов тока через транзистор и диод зависят от индуктивности первичной обмотки трансформатора. При оптимальном ее значении максимальный ток через первичную обмотку вдвое превышает средний ток через нее. При этом ток через диод прекращается в момент открывания транзистора.

 Рис. 3

Изменять ∆Т можно разными способами. Наиболее подходящий способ регулирования величины выходного напряжения – широтно-импульсная модуляция. Принцип ШИМ заключается в регулировании времени, в течение которого ключевой транзистор открыт, при этом происходит регулировка количества накопленной трансформатором энергии. Основные достоинства ШИМ – постоянство периода повторений Т и простота реализации. Поэтому ШИМ применяют практически во всех конструкциях ИБП. По этой причине другие способы регулировки мы рассматривать не будем.

Более подробная функциональная схема приведена на рис. 4.

 Рис 4

Рассмотрим случай, когда в установившемся режиме ток нагрузки увеличился. Это означает, что энергия, запасенная трансформатором будет расходоваться быстрее, чем обычно, т.е. время закрытого состояния ключа уменьшится. А для увеличения накопленной энергии нужно увеличить время открытого состояния ключа, чтобы в трансформаторе накопилось больше энергии. В результате общее время Т = const. Аналогично при уменьшении тока нагрузки.

Устройство управления  ключевым транзистором называется контроллером (ударение на второе «о»), в данном случае – ШИМ-контроллером. Вообще под ШИМ-контроллером подразумевают все устройство управления, включая элементы запуска и защиты, так как они являются неотъемлемой частью схемы ИБП и используют часто одни и те же элементы схемы.

Схема любого импульсного блока питания состоит из следующих узлов: схемы запуска, схемы управления, схемы управления ключевым транзистором (исполнительное устройство) и схем защиты, которых в устройстве может быть несколько. Разберем по порядку свойства каждого узла.

 

Схемы запуска.

Необходимость схемы запуска вызвана тем, что при включении ИБП самовозбуждение автогенератора невозможно, так как разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей представляют собой короткое замыкание для импульсов, снимаемых с вторичных обмоток трансформатора. Пусковые токи могут достигать 50… 100 А, что создает аварийный режим работы для автогенератора.

Устройство запуска обеспечивает принудительное включение и выключение автогенератора в течение нескольких циклов, за время действия которых происходит заряд конденсаторов фильтров импульсных выпрямителей. Одновременно это исключает возможность возникновения аварийной ситуации, так как автогенератор плавно, постепенно выходит на номинальный режим.

В импортных схемах наибольшее распространение нашли схемы подачи начального открывающего смещения на ключ. В момент подачи питания через резисторы Rсм от «+» сетевого выпрямителя на базу ключа подается начальное смещение, достаточное для создания начального тока через ключ. За счет обмотки обратной связи происходит нарастание тока через ключ до насыщения, при этом диоды вторичных выпрямителей заперты и не мешают процессу. Как только ключ входит в режим насыщения, нарастание тока прекращается, напряжение на базе ключа становится равным начальному, коллекторный ток ключа резко уменьшается, что приводит к изменению полярности на обмотках трансформатора, в том числе появляется минус на выводе обмотки обратной связи, подключенной к базе ключа, ключ закрывается, диоды импульсных выпрямителей открываются и энергия, накопленная трансформатором, через диоды переходит в разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей. Так как конденсаторы представляют собой в этот момент короткое замыкание, то энергия трансформатора убывает очень быстро. После нескольких циклов заряда конденсаторов автогенератор переходит в нормальный режим и больше схема запуска не используется. Во многих импортных ИБП цепь запуска не отключается, что иногда приводит к выходу из строя ключа при неисправности одного из вторичных выпрямителей, если не применяется схема защиты от короткого замыкания.

В отечественных телевизорах применяются несколько схем запуска ИБП. Одна из них – генератор, собранный на однопереходном транзисторе КТ117. В течение некоторого времени, задаваемого схемой и достаточного для надежного запуска автогенератора, генератор на КТ117 генерирует импульсы, которые подаются на базу ключа как начальное смещение и вызывают запуск цикла работы автогенератора. Если неисправность отсутствует, то конденсаторы фильтров заряжаются и автогенератор входит в нормальный режим. Иначе схема запуска отключится и ИБП не запустится.

 

Схемы управления.

На схемы управления возлагается функция отслеживания уровня выходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственного управления ключом. Обычно схема управления представляет собой схему сравнения реального выходного напряжения и образцового, выработанный сигнал ошибки подается на исполнительную схему, управляющую непосредственно ключевым транзистором (см. рис. 5).

 Рис. 5

Несмотря на кажущуюся сложность функциональной схемы устройства управления сама схема не сложна и работа ее для понимания труда не представляет.

Схема управления питается от одной из обмоток трансформатора, поэтому напряжение питания на ней всегда соответствует напряжению на других обмотках, т.е. реальному. Пока автогенератор не вошел в нормальный режим, напряжение питания мало и транзистор закрыт. По мере увеличения напряжения питания на стабилитроне появляется образцовое напряжение и затем транзистор начинает открываться. В рабочем режиме на выходе присутствует положительное напряжение, которое подается на исполнительную схему. Понятно, что при изменении реального напряжения напряжение, подаваемое на исполнительное устройство, также будет изменяться, изменяя условия работы исполнительного устройства. Исполнительное устройство представляет собой либо ключевую схему, срабатывающую при достижении импульсом тока коллектора силового ключа определенной величины, либо схему, шунтирующую переход база-эмиттер того же силового ключа при достижении определенного уровня напряжения на базе.

 Рис. 6

На рис. 6 приведены эпюры, поясняющие работу устройства управления при ШИМ-модуляции. По ним видно, как изменение реального напряжения и вместе с ним сигнала ошибки влияет на ширину импульса, вырабатываемого ключевым транзистором. Меандр Uзг – работа автогенератора без управления. При работе с управлением напряжение ошибки Uош воздействует на исполнительное устройство совместно с напряжением обратной связи Uп, меняя порог его срабатывания. В результате при изменении тока нагрузки изменяется ширина импульсов, вырабатываемых ключевым транзистором.

Схемы защиты.

Сложность того или иного ИБП зависит, в основном, от примененных схем защиты. В дешевых моделях ИБП используются простейшие виды защит. Вообще защитные устройства можно разделить на следующие типы по функциям: защитные устройства всего ИБП, сетевого выпрямителя, от большого напряжения сети, от малого напряжения сети, от перегрузки (короткого замыкания), от холостого хода и так далее. По сложности исполнения их можно разделить на простые (предохранители, защитные резисторы), среднего уровня сложности и большой сложности. В ИБП может быть применено сразу несколько типов защит, различной степени сложности. Однако, несмотря на то, что встраивание сложных защит мотивируется благими целями, увеличение сложности устройств в результате оборачивается уменьшением их надежности, так как увеличивается число элементов схем, ухудшением ремонтопригодности и, значит, увеличением стоимости ремонта. А так как защиты встраиваются непосредственно в ИБП, то и выход из строя элементов защиты также приводят к выходу из строя и элементы самого ИБП.

Простейшим защитным элементом является предохранитель. В любом устройстве он ставится на входе питания сетевым напряжением. Предохранитель является инерционным элементом, поэтому он не защищает ни ключевой транзистор ИБП, ни его элементы. Назначение предохранителя – защита диодов выпрямителя при пробое ключа или конденсатора сетевого фильтра, а также размагничивающего устройства при неисправности позистора.

Следующий защитный элемент – защитный резистор, который выполняет две функции. Первая – ограничивает мгновенный ток через схему, на входе которой он стоит. И вторая – выполняет функции предохранителя. Как и предохранитель защитный резистор – инерционный элемент. Он перегорает по факту превышения среднего тока через него. Если защитный резистор стоит в сетевой части ИБП, то он защищает сетевой выпрямитель при пробитом ключе или конденсаторе сетевого фильтра, если он стоит перед выпрямительными диодами вторичных выпрямителей, то защищает весь ИБП от перегрузки.

Часто во вторичных выпрямителях применяют защитные диоды. На схемах они обозначаются как стабилитроны, но это не так. Когда на защитном диоде напряжение меньше порога срабатывания, он не потребляет тока и не мешает работе. При появлении на таком «стабилитроне» напряжения, на которое он рассчитан (например, R2M, который ставится для защиты выходного каскада строчной развертки, рассчитан на 150 В), «стабилитрон» пробивается, становится коротким замыканием для ИБП, который выключается. ИБП, в котором применяются такие «стабилитроны», должны иметь защиту от перегрузок. А напряжение на защитном диоде может повыситься из-за резких скачков сетевого напряжения, мощной импульсной помехи в сети, неисправности самого ИБП. Таким образом, защитный диод защищает устройства, стоящие в данной цепи питания, например, выходной каскад строчной развертки. Защитный диод не восстанавливается и после срабатывания подлежит замене, но ни в коем случае не на обычный стабилитрон!

Остальные устройства защиты представляют собой схемы, состоящие из нескольких элементов и интегрированы со схемой ИБП. Такие устройства могут быть с внутренним управлением, отслеживающие состояние ИБП и управляющие им и с внешним управлением, следящими за состоянием цепей вторичных источников питания и даже исправность всего устройства в целом, например, телевизора. Чем больше применено таких защитных устройств, тем сложнее ремонт. Иногда приходится изобретать способы запуска ИБП, выключенного каким-либо защитным устройством, отключать защиту, прибегать к различным уловкам, чтобы найти неисправность.

 

Ну что? Очень сложно? Если вы хоть что-то поняли, переходите во вторую главу статьи, где мы разберем конкретные схемы ИБП.

 

Начало документа

<<< Назад   Титульный   Глава 2 >>>

ККВ        Страница создана 17.02.2004 г.

© 2002-2003г. Кравченко Кирилл Васильевич (ККВ)

Импульсный и аналоговый блоки питания, принципы работы и основные отличия | Энергофиксик

Практически все современные электронные устройства уже используют для своей работы импульсные блоки питания и простые (аналоговые) блоки питания становятся довольно редкими. Для понимания того, по какой причине так случилось, давайте изучим алгоритмы их функционирования, а также сильные и слабые стороны.

Блок питания с силовым трансформатором

Для простоты понимания давайте изучим упрощенную схему подобного блока питания (БП)

yandex.ru

yandex.ru

Из выше представленного рисунка видно, что на входе расположен понижающий трансформатор. Благодаря ему выполняется трансформация входящего напряжения, например 230 вольт, на выходное напряжение, например 12 Вольт. Так же трансформатор служит гальванической развязкой высокой и низкой стороны.

Далее идет блок выпрямителя, в котором происходит преобразование синусоидального тока в импульсный. Для этого в рассматриваемом блоке применяются диоды, соединенные мостом.

В третьем блоке совмещены сразу две функции, а именно: сглаживание напряжения (для этого применяется конденсатор с подобранной емкостью) и его стабилизация (чтобы избежать провалов при возрастании нагрузки).

Еще раз скажу, что представленная схема довольно сильно упрощена, так как не указаны входной фильтр и цепи защиты, но для понимания принципа работы эти опущения допустимы.

Недостатки и достоинства блоков питания с трансформатором

Минусы

— Главным слабым элементом, а, следовательно, недостатком подобных блоков питания является трансформатор. Его размеры просто физически не позволяют создать компактные зарядные устройства, а его стоимость зачастую в несколько раз больше стоимости всех остальных комплектующих изделия.

yandex.ru

yandex.ru

— Также у подобных блоков питания низкий КПД (по сравнению с импульсным блоком питания).

— Для стабилизации выходного напряжения необходимо дополнительно использовать стабилизатор, который еще сильнее уменьшает КПД (за счет дополнительных потерь).

Плюсы

Помимо слабых сторон у таких изделий есть и неоспоримые плюсы, а именно:

— Высокая надежность изделия.

— Подобные блоки питания не генерируют паразитных радиоволновых помех (в отличие от импульсных блоков питания).

— Довольно простая конструкция.

Импульсные блоки питания

Давайте теперь рассмотрим упрощенную структурную схему импульсного блока питания:

Принцип работы подобных блоков питания имеет существенную разницу от трансформаторных блоков питания и в первую очередь она обусловлена тем, что здесь отсутствует сам трансформатор. А теперь давайте познакомимся с алгоритмом подробнее:

yandex.ru

yandex.ru

— Сетевое напряжение поступает на сетевой фильтр. Главная функция представленного элемента — снижение сетевых помех, которые возникают непосредственно в самом блоке питания и присутствуют в приходящем из сети напряжении.

— Затем подключается к работе преобразовательный блок, который трансформирует напряжение синусоидальной формы в постоянное напряжение импульсного характера. Затем подключается сглаживающий фильтр.

— Далее инвертор формирует прямоугольный высокочастотный сигнал. При этом обратная связь с инвертором выполняется через блок управления.

— Дальнейшим элементом, вступающим в работу, является блок ИТ (силовой трансформатор). Данный блок выполняет гальваническую развязку. Так же ИТ нужен для автоматического генераторного режима и для запитывания цепей защиты, управления и нагрузки. Сердечник элемента производится из ферромагнитных материалов, которые гарантируют передачу высокочастотных сигналов, находящиеся в пределе от 20 кГц до 100 кГц.

— Следующим элементом, вступающим в процесс преобразования, является выходной выпрямитель. Так как здесь происходит работа с напряжением высокой частоты, то в этом блоке применяются диоды Шоттки.

— И на завершающем этапе на выходном фильтре происходит сглаживание напряжения и выдача преобразованного напряжения на нагрузку.

Вот мы и рассмотрели алгоритм работы импульсного блока питания, давайте теперь узнаем, какие у них есть преимущества и недостатки

Плюсы и минусы импульсных блоков питания

Плюсы

По сравнению с трансформаторными аналогами импульсные блоки питания аналогичной мощности имеют довольно скромные габариты, а вследствие этого и довольно малый вес устройства.

У импульсных БП КПД достигает 98% (потери в устройстве обусловлены лишь с переходными процессами во время открывания ключей).

По причине очень широкого распространения комплектующих, готовые изделия имеют относительно низкую стоимость.

Минусы

— Высокочастотные помехи. Так как сам принцип работы подобных устройств построен на преобразовании высокочастотных импульсов, то неизбежна выработка паразитных составляющих.

Существуют ограничения по мощности

Особенность импульсных блоков питания заключена в том, что их нельзя не только перегружать, но и недогружать. В случае того, если потребление тока в цепи упадет ниже критического предела, то схема запуска может просто отказаться работать либо выходное напряжение будет иметь характеристики далекие от рабочего диапазона.

yandex.ru

yandex.ru

Заключение

Итак, мы рассмотрели алгоритмы работы импульсных и трансформаторных блоков питания. Как вы видите, несмотря на очень широкое распространение импульсных блоков питания, трансформаторные БП все так же находят свое применение в аппаратуре, чувствительной к высокочастотным помехам.

Статья оказалась вам полезна и интересна, тогда оцените ее пальцем вверх. Спасибо за ваше внимание!

Структура и принцип работы источников питания Мегапром

В настоящее время одними из самых передовых источников питания светодиодов и электронной техники являются импульсные источники питания с широтно-импульсной модуляцией ШИМ или PWM . Источник питания ШИМ (от компании Мегапром и MEAN WELL) состоит из следующих пяти структурных частей:
•  цепь подавления электромагнитных помех;
•  сетевой выпрямитель со сглаживающим фильтром входящего тока;
•  преобразователь напряжения (автогенератор) с импульсным трансформатором;
•  устройство управления (ШИМ контроллер) с цепью обратной связи и защитой от перегрузок;
•  выходной выпрямитель и фильтр.

Принцип работы источников питания ШИМ :
При изменении входного напряжения и/или внешней нагрузки, в управляющей схеме производится коррекция по разнице сигнала управления и опорного сигнала посредством обратной связи, которая регулирует ширину импульса питающего напряжения, увеличивая или уменьшая его. В результате чего на выходе источника питания получается стабильное напряжение.

Все качественные современные блоки питания, предлагаемые компанией Мегапром, имеют :

  • Высокоэффективные фильтры от импульсных помех. Фильтр защищает как от помех из сети, так и от распространения собственных при работе импульсного преобразователя

  • Гальваническая развязка нагрузки от сети, осуществляемую с помощью трансформатора с двумя о обмотками.

  • Обратная связь между выходной цепью и импульсным преобразователем, для стабильности работы и стабильности выходных характеристик источника питания.

  • Контроллер и гальваническая развязка (трансформаторная или оптронная) в цепи обратной связи.

  • Высокоэффективные фильтры выходной цепи для фильтрации и сглаживания помех преобразователя.  

1) Пример базовой структуры импульсного блока питания до 150Вт (с оптронной и трансформаторной развязкой в цепи ОС)

2) Пример базовой структуры импульсного блока питания более 200Вт (может быть как с оптронной и трансформаторной развязкой в цепи ОС), с модулем ограничением пусковых токов, с наличеем контроллера температуры и включения вентилятора охлождения .

Высокий уровень схемотехнических решений обеспечивает отличный пуск даже в морозы при температуре -20..-30С и позволяет их эксплуатировать в морозы до -40 градусов!

Nipron [Энциклопедия источников питания] Статья 1, импульсный источник питания (1.3)

Как уже говорилось выше, режим стабилизации питания Подача примерно подразделяется на режим переключения и последовательный режим. В настоящее время под электроснабжением понимают систему коммутации во многих случаях из-за высокой производительности и компактности. Здесь механизм переключения источник питания объяснен.

<< Принцип действия >>
Показана принципиальная схема и состав импульсного источника питания. на рисунке 1.5.


Рисунок 1.5 Принципиальная схема и компоненты импульсный блок питания

— Выпрямительный мост: для выпрямления переменного тока в одном направлении
— Электролитический конденсатор: для накопления электричества и работы, чтобы сохранить напряжение
— Высокочастотный трансформатор: для передачи энергии от первичной к вторичный
— Цепь управления: для управления временем включения / выключения переключающего устройства для стабилизации вторичного напряжения

В этой системе вход (переменный ток: AC) преобразуется в выходной (постоянный ток: DC).Сторона входа называется «Первичный выход». сторона называется «вторичной», на которую передается энергия через высокочастотный трансформатор.

Теперь, обращаясь к диаграмме выше, рабочий механизм переключения источник питания можно объяснить следующим образом:
(1) Подключите переменный ток (AC) к импульсному источнику питания.
(2) Переменный ток выпрямляется выпрямительным мостом и сглаживается первичной обмоткой. электролитический конденсатор после этого.
(3) Операция переключения (повторная электрическая операция ВКЛ / ВЫКЛ) переключения устройство вырабатывает переменный ток высокой частоты.
(4) Энергия (переменный ток) передается через высокочастотный трансформатор на вторичная сторона.
(5) Выпрямленный вторичным диодом и сглаженный вторичным электролитом. конденсатор, энергия преобразуется в постоянный ток на выходе.
(6) Для стабилизации выходного напряжения переключение осуществляется через система обратной связи.

Это основной принцип работы импульсного источника питания.

<< Метод схемы >>
Метод схемы в импульсном источнике питания зависит от «DC-DC режим преобразователя, который преобразует постоянный ток в переменный с высокой частотой, и снова преобразуйте его обратно в DC ». Кроме того, при определении переключения цикл преобразователя постоянного тока в постоянный, он подразделяется на два режима. Один называется режимом самовозбуждения, блок переключения которого определяет цикл переключения сам по себе.Другой называется раздельным возбуждением. режим (режим ШИМ), в котором есть осциллятор для независимого определения частоты. Особенности режима самовозбуждения: «Низкая стоимость благодаря простоте структура схемы «и» частота изменяется в соответствии с входному напряжению и состоянию нагрузки ». Раздельный режим возбуждения. особенности: «Стоимость обычно высока по сравнению с самовозбуждением. режим, так как в нем используются микросхемы «и» частота постоянна.» Также есть еще два режима, когда энергия передается от от первичного к вторичному. Один называется прямым режимом, когда энергия передается во время периода ВКЛ, а другой называется обратным ходом режим, при котором энергия передается в период ВЫКЛЮЧЕНИЯ.

(1) Одиночный вперед


Рисунок 1.6 Одинарная форвардная

Этот режим используется во многих импульсных источниках питания из-за простой структура и стабильный контроль.(Используется в наших источниках питания Nonstop во многих случаях). Раздельный режим возбуждения чаще всего используется от малых мощность до высокой мощности. Минус — плохая простота использования трансформатора.

(2) Обратный ход (называемый RCC)


Рисунок 1.7 Обратный ход

Для этого режима требуется несколько компонентов, и это самый простой режим, но не подходит для большой мощности. В основном это применяется для малой мощности, но диапазон входного напряжения широкий.

(3) Двухтактная


Рисунок 1.8 Толкающий-толкатель

В этом режиме используются два переключающих устройства и катушки для попеременного включения. Смещение магнетизма трансформатора имеет решающее значение.

(4) Полумост


Рисунок 1.9 Полумост

Операция такая же, как и в двухтактном, но применительно к преобразование составляет половину Vi, можно использовать транзисторы низкого напряжения.В удобство использования трансформатора лучше, но повышение температуры каждый конденсатор вызван коммутационным током, протекающим в конденсаторах имеет решающее значение.

(5) Полный мост


Рисунок 1.10 Полный мост

Схема сложная, но низковольтные коммутационные аппараты может быть использован. Это обеспечивает высокий КПД и высокую мощность. Удобство использования трансформатора наивысшее из всех.Критические точки магнетизм смещения и ток проникновения между верхним и нижним устройства (полевые транзисторы).

(6) MagAmp (Магнитный усилитель)


Рисунок 1.11 Магнитный усилитель

Этот режим предназначен для управления фазой в импульсе с использованием магнитного насыщения. аморфного сердечника, который имеет свойство прямоугольного гистерезиса для стабилизации выходное напряжение.

(7) Понижающий измельчитель


Рисунок 1.12 Шагающий измельчитель

Это режим неизолированного типа для преобразования в низкое напряжение без трансформатор.

(8) Повышающий прерыватель (также называемый обратным ходом)


Рисунок 1.13 Шаговый измельчитель

Это режим неизолированного типа для преобразования в высокое напряжение без трансформатор.

Что такое SMPS | Принцип работы SMPS | Преимущества SMPS

Цепь источника питания играет важную роль в каждой электрической и электронной схеме, обеспечивая питание от схемы совы к компьютеру и различным машинам.Этот тип нагрузки требует разных форм мощности в разных диапазонах и характеристиках. Поэтому мощность преобразуется в желаемую форму с помощью различных типов преобразователей энергии.

В основном работает с различными нагрузками, такими как SMPS, источник питания переменного тока, источник питания переменного тока в постоянный, программируемый источник питания, источник питания высокого напряжения и источник бесперебойного питания. В сегодняшней статье мы поговорим о том, что такое SMPS и каков его принцип работы, и многое другое.

Также читается: преобразование звезды в треугольник и преобразование из треугольника в звезду

Что такое импульсный источник питания?

Полное название SMPS — Switch-Mode Power Supply. SMPS определяется простым языком, когда потребность в электричестве возникает в виде переключателя. В котором электрическая энергия преобразуется из одной формы в другую с основными свойствами, называемыми SMPS. Эта мощность используется для получения регулируемого входного напряжения постоянного тока с выхода постоянного тока или неконтролируемого переменного тока для питания. SMPS так же сложен, как и любая другая система питания. Это источник питания, используемый для загрузки.

SMPS — важное устройство для самых разных электрических и электронных устройств.Что обеспечивает ему источник энергопотребления, специально разработанный для электронных проектов.

Также читайте: Источник бесперебойного питания

Топологии SMPS (импульсный источник питания ) —

Топология SMPS подразделяется на различные типы, а именно:

Старший № Топологии ИИП
№1. Преобразователь AC-DC
№ 2. Преобразователь постоянного тока в постоянный
№ 3. Обратный преобразователь
№ 4. Передний преобразователь

Принцип работы SMPS (импульсный источник питания ):

Принцип работы импульсных топологий источников питания следующий:

№1. Преобразователь переменного тока в постоянный, SMPS Рабочий:

В этом типе ИИП питание на входе переменное, а на выходе — постоянный ток.Выпрямители и фильтры используются для преобразования этой мощности переменного тока в постоянный. Это неконтролируемое постоянное напряжение подается на затронутые цепи коррекции коэффициента мощности. Это связано с тем, что внутри выпрямителя около пика напряжения имеется слабый импульс тока.

Это включает высокочастотную энергию, которая влияет на снижение коэффициента мощности. Это связано с преобразованием мощности, но мы использовали вход переменного тока вместо источника постоянного тока. Таким образом, комбинация выпрямителя и фильтра, эта блок-схема используется для преобразования переменного тока в постоянный, а операция переключения выполняется с помощью глушителя мощности.

Транзисторы MOSFET

имеют низкое сопротивление и способны выдерживать большие токи. Частота переключения выбрана так, чтобы нормальные люди (выше 20 кГц) оставались на низком уровне, а работа переключателя контролировалась с помощью генератора ШИМ.

Опять же, это переменное напряжение подается на выход трансформатора, как показано на рисунке, или уровень напряжения понижается. После этого выход этого трансформатора фиксируется и сглаживается с помощью выходного фильтра и корректора. Выходное напряжение регулируется реакционной схемой по сравнению с опорным напряжением.

Также читайте: Что такое асинхронный двигатель | Типы асинхронных двигателей | Преимущество асинхронного двигателя

№ 2. DC-DC преобразователь SMPS Рабочий:

Входное питание этого источника питания берется от источника постоянного напряжения высокого напряжения непосредственно от источника постоянного тока. Затем этот высоковольтный источник питания постоянного тока снижается до 15-5 кГц. Затем он подается на блок понижающего трансформатора на 50 Гц.

Выход этого трансформатора — вход выпрямителя, а выход выпрямителя — мощность, используемая в качестве источника нагрузки.Генератор управляется по времени и сформирован регулятор с обратной связью.

Выход импульсного источника питания регулируется с помощью широтно-импульсной модуляции, показанной на схеме выше, переключатель управляется с помощью генератора ШИМ. Затем мощность косвенно регулируется с помощью понижающего трансформатора, когда мощность подается на трансформатор.

Следовательно, ширина выходного импульса регулируется модуляцией, поскольку эти выходные напряжения и сигнал ШИМ пропорциональны друг другу.

Если рабочий цикл составляет 50%, максимальная мощность передается трансформатором, а если рабочий цикл уменьшается, то мощность трансформатора также уменьшается за счет уменьшения прерывания.

Также читайте: Что такое регулятор напряжения | Типы регуляторов напряжения | Работа регулятора напряжения

№ 3. Тип обратного преобразователя SMPS Рабочий:

Любой ИИП с выходной мощностью менее 100 Вт известен как ИИП с обратным преобразователем.По сравнению с другими SMPS, схема этих SMPS проста и понятна. Этот тип SMPS используется для низкого энергопотребления.

Неконтролируемое входное напряжение постоянной интенсивности переключается на предпочтительное выходное напряжение путем переключения с использованием полевого МОП-транзистора; Частота переключения около 100 кГц. Изоляция по напряжению достигается с помощью трансформатора. Работой переключателя можно управлять с помощью ШИМ при использовании практичного обратного преобразователя.

Обратный трансформатор показывает особые характеристики по сравнению с обычным трансформатором.Обратный трансформатор состоит из двух обмоток, которые действуют как индукторы, соединенные магнитным полем.

Выход этого трансформатора распределен конденсаторами и диодами для улучшения фильтрации. Выходной сигнал SMPS можно принять как напряжение на конденсаторе фильтра, как показано на рисунке.

Также прочтите : Что такое концевой выключатель | Принцип работы концевого выключателя | Применение концевого выключателя

№4. Тип прямого преобразователя SMPS Рабочий:

Конструкция этого типа ИИП почти такая же, как и у обратного преобразователя типа SMS.В таких ИИП переключатель подключен к выходу вторичной обмотки трансформатора для управления. По сравнению с обратноходовым преобразователем схема фильтрации и коррекции более сложна. Эти SMPS также известны как понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный, а также используются для масштабирования и изоляции трансформаторов.

В дополнение к диоду D1 и конденсатору C на конце выхода подключены индуктор L и диод D. Если срабатывает переключатель «S», то первичная обмотка входного трансформатора отключается.Таким образом, на вторичной обмотке трансформатора создается фиксированное напряжение. Таким образом, диод D 1 становится смещенным в прямом направлении, и напряжение, масштабируемое посредством LPF, перемещающего нагрузку, проходит

.

Когда переключатель S включен, ток через обмотку достигает нуля. Ток не может быть изменен в ближайшее время путем обновления фильтров и нагрузок, и этот ток передается диодом D2 вдоль побережья. При использовании катушки индуктивности фильтра необходимое напряжение и электромагнитная сила в направлении диода D2 становятся необходимыми, чтобы влиять на стабильность тока.

Даже если ток падает относительно выходного напряжения, почти постоянное выходное напряжение может поддерживаться за счет наличия большого емкостного фильтра. Он регулярно используется для различных коммутационных приложений с диапазоном мощности от 100 Вт до 200 Вт.

Преимущества Smps:

Преимущества SMPS следующие:

Старший № Преимущества Smps
№1. Высокая эффективность
№ 2. Компактный
№ 3. Стоимость
№ 4. Гибкие технологии
№1. Высокая эффективность:

Главное преимущество ИИП в том, что он более эффективен, чем линейные регуляторы. Это связано с тем, что переключающий транзистор рассеивает небольшую мощность, когда действует как переключатель.

№ 2. Компактный:

Forms SMPS можно сделать более компактным в результате более высокого КПД и более низкого уровня рассеивания тепла.

№ 3. Стоимость:

Режим переключения — это значение точки включения источника питания. Эффективность Высокая эффективность и коммутационный характер конструкции означают, что потери мощности в режиме ожидания часто ниже, чем у трансформаторов, и это снижает затраты.

№4. Гибкая технология:

Функцию SMPS можно использовать для обеспечения высокоэффективного преобразования напряжения в повышающие или повышающие приложения или понижающие понижающие приложения.

Применение ИИП:

Применение ИИП выглядит следующим образом:

  • Чаще всего это используется в компьютерах.
  • Smps применяется в системах безопасности.
  • Используется в железнодорожной системе.
  • Также используется в зарядных устройствах.
  • Он также широко используется в станкостроении.
Часто задаваемые вопросы (FAQ):

1.Какая основная функция SMPS?

SMPS — импульсный источник питания. Тип устройства высокочастотного преобразования энергии и аббревиатура устройства питания. Его функция заключается в преобразовании необходимого уровня напряжения или тока с помощью различных архитектурных форм.

2. Как работает импульсный блок питания?

SMPS работает путем включения и выключения основного питания на высокой скорости для снижения напряжения. В таком случае снижение напряжения зависит от соотношения времени и времени выключения.Переключение происходит очень быстро, 10 000 раз или быстрее в секунду.

3. Что такое короткий ответ SMPS?

SMPS расшифровывается как Switch-Mode-Power-Supply. Он используется во всех типах компьютеров. В современных компьютерах есть ИИП, который получает улучшенную входную мощность переменного тока от платы в доме, выполняя коррекцию коэффициента мощности и затем преобразуя выходной сигнал в выходной сигнал постоянного или более низкого напряжения.

4. Что такое приложения SMPS?

Применение ИИП выглядит следующим образом:

  • Чаще всего это используется в компьютерах.
  • Smps применяется в системах безопасности.
  • Используется в железнодорожной системе.
  • Также используется в зарядных устройствах.
  • Он также широко используется в станкостроении.

Понравился пост? Поделитесь этим с вашими друзьями!

Рекомендуемое чтение —

Что такое импульсный источник питания (SMPS)? Типы, блок-схема, работа и применение SMPS

Определение : SMPS, аббревиатура от S witch M ode P ower S upply — это тип блока питания, который выдает регулируемый выход постоянного тока. с использованием методов переключения полупроводников.По сути, здесь регулируемый выходной сигнал постоянного тока преобразуется в нерегулируемый входной сигнал переменного или постоянного тока. Иногда его также называют импульсным источником питания или импульсным источником питания.

Этот блок питания предназначен для подачи энергии на нагрузку от источника с помощью переключающих устройств. Прежде чем подробнее остановиться на SMPS, позвольте нам иметь представление о —

Что такое блок питания?

Блок питания или блок питания — это электрическое устройство, которое берет энергию от источника и подает ее на нагрузку.Иногда люди используют термины «источник питания» и «источник питания» как синонимы. Так это правильно?

Очевидно, нет. Источник питания — это объект, который хранит энергию с целью подачи ее на различные блоки, когда это необходимо, например, батарея . Однако источник питания — это устройство, которое преобразует энергию, полученную от любого источника питания, в форму, которая может использоваться для работы электрических или электронных схем. Таким образом, он образует связь между источником и нагрузкой.

Хотя источники электроэнергии имеют энергию в форме таких величин, как напряжение или ток, использование источника питания необходимо. Это так, потому что он изменяет эти электрические величины в форме, подходящей для работы нагрузки.

В основном источники питания подразделяются на две категории, а именно ,

  • Линейный источник питания
  • Импульсный источник питания

Линейный источник питания — это тот, который используется для преобразования нерегулируемого входного сигнала переменного или постоянного тока в регулируемый выходной сигнал постоянного тока.Но принцип работы LPS и SMPS разный. Кроме того, это считается менее эффективным подходом, при котором непрерывное тепловыделение вызывает потери мощности. Он включает в себя последовательно включенный регулятор напряжения, который подходит для приложений с низкой выходной мощностью.

В линейном источнике питания приложенное входное переменное напряжение сначала понижается с помощью трансформатора. Дополнительный диодный выпрямитель используется для выпрямления переменного сигнала.

После выпрямления сигнал фильтруется с помощью конденсаторного фильтра.Несмотря на фильтрацию, нерегулируемый сигнал постоянного тока затем подается в схему линейного регулятора напряжения, которая выдает на выходе регулируемый сигнал постоянного тока.

По сути, SMPS был изобретен, чтобы преодолеть недостаток LPS, поскольку он очень эффективен. Кроме того, в отличие от линейного источника питания, он подходит для приложений, где требуется более высокий выходной ток или напряжение, поскольку включает в себя импульсные стабилизаторы. По этой причине импульсный источник питания назван так.

Введение в SMPS

Различные электрические и электронные нагрузки получают питание от батарей.Но батареи не обеспечивают регулируемую мощность, поскольку они предлагают очень высокое или очень низкое напряжение. Итак, для получения регулируемого выхода постоянного тока используется SMPS.

В отличие от линейного источника питания, в котором используется стандартный линейный метод регулирования напряжения, импульсный источник питания представляет собой устройство, которое выполняет регулировку напряжения нерегулируемого сигнала с использованием методов полупроводниковой коммутации . Он считается высокоэффективным, поскольку снижает энергопотребление, тем самым демонстрируя уменьшение количества рассеиваемого тепла.Таким образом, были заменены традиционные линейные блоки питания.

SMPS включает переключающий транзистор (силовой MOSFET) для регулирования напряжения. Во время работы транзистор переключается между включенным состоянием и выключенным состоянием таким образом, что когда он включен, он полностью проводит ток с незначительным падением напряжения на нем. Когда он выключен, он пытается полностью заблокировать ток. Таким образом, переключение между состоянием включения (насыщение) и состоянием выключения (отключение) происходит на высокой частоте, и, таким образом, устройство действует как идеальный переключатель .

Здесь следует отметить, что если трансформатор работает на высокой частоте, то размер устройства уменьшается. Следовательно, общий размер ИИП невелик и имеет меньший вес, что является еще одним преимуществом перед линейными источниками питания.

Типы импульсных источников питания

Линейные регуляторы всегда обеспечивают понижающий тип регулирования напряжения. Однако это не относится к импульсному источнику питания, поскольку он может обеспечивать как повышающий, так и понижающий тип регулирования напряжения.Это приводит к дальнейшей классификации SMPS как:

  • понижающий импульсный источник питания : Он состоит из схемы понижающего регулятора, которая выполняет преобразование постоянного тока в постоянный. Слово « баксов» соответствует вычитанию или вычитанию . Он в основном выполняет преобразование высокого напряжения постоянного тока в низкое значение той же полярности.
  • Импульсный импульсный источник питания : Он имеет схему регулятора повышающего типа для преобразования сигнала постоянного тока низкого уровня в сигнал высокого уровня.Слово « boost» означает , чтобы сложить или увеличить , таким образом, импульсный импульсный стабилизатор увеличивает уровень напряжения питания, сохраняя полярность такой же, как у входного сигнала.
  • Импульсный источник питания с понижающим и повышающим режимами : Этот SMPS выполняет комбинированную работу понижающего и повышающего регулятора. В этой топологии выходной сигнал имеет инвертированный характер, напряжение которого может быть больше или меньше входного напряжения питания в зависимости от рабочего цикла.

Наряду с этими тремя, еще два типа значительных smps — это обратный преобразователь и прямой преобразователь.

Известно, что это три основные операции переключения, обычно называемые топологиями коммутационных схем .

Блок-схема и работа SMPS

Основными компонентами ИИП являются следующие :

  1. Входной выпрямитель и фильтр (диодный выпрямитель и конденсаторный фильтр)
  2. Высокочастотный переключатель (силовой транзистор или полевой МОП-транзистор)
  3. Трансформатор силовой
  4. Выходной выпрямитель и фильтр (диодный выпрямитель и конденсаторный фильтр)
  5. Цепь управления (компаратор и широтно-импульсный модулятор)

На приведенном ниже рисунке представлена ​​функциональная блок-схема SMPS :

.

Первоначально нерегулируемый входной сигнал переменного тока от источника подается на входной выпрямитель и схему фильтра.Здесь входной сигнал переменного тока выпрямляется для генерации сигнала постоянного тока и дополнительно сглаживается, чтобы удалить из него высокочастотную составляющую шума. Выход постоянного тока (все еще в нерегулируемом виде) подается на силовой транзистор, который действует как высокочастотный переключатель.

Здесь сигнал постоянного тока претерпевает прерывание (переключение). Эта схема действует как идеальный переключатель, т. Е. Когда силовой транзистор (схема прерывателя) находится во включенном состоянии, через него проходит ток с незначительным падением напряжения, и на выходе транзистора получается сигнал постоянного тока.Однако в выключенном состоянии силового транзистора через него не проходит ток, что приводит к максимальному падению напряжения внутри него. Таким образом, на выходе не будет напряжения.

Следовательно, в соответствии с действием переключения силового транзистора на его выходной стороне будет получено постоянное напряжение. Частота прерывания играет решающую роль в поддержании желаемого уровня постоянного напряжения .

Полученный сигнал постоянного тока на выходе схемы прерывателя подается на первичную обмотку высокочастотного силового трансформатора.Здесь понижающий трансформатор преобразует сигнал высокого напряжения в сигнал низкого напряжения, который дополнительно подается на вход блока выходного выпрямителя и фильтра. Это просто отфильтровывает нежелательные остатки из сигнала, чтобы обеспечить регулируемый сигнал постоянного тока на выходе.

Схема управления, представленная здесь, действует как цепь обратной связи для всего устройства. Это включает в себя компаратор и широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Выходной сигнал постоянного тока выпрямителя и фильтра подается в схему управления, где усилитель ошибки, который действует как компаратор, сравнивает полученное постоянное напряжение с опорным значением.

Если выходное напряжение постоянного тока больше заданного значения, необходимо уменьшить частоту прерывания. Уменьшение частоты прерывания приведет к уменьшению выходной мощности и, следовательно, выходного напряжения постоянного тока. Однако, если выход постоянного тока меньше эталонного значения, частота прерывания увеличивается. При увеличении частоты прерывания возрастает выходное напряжение постоянного тока.

Широтно-импульсный модулятор в приведенной выше схеме отвечает за генерацию сигнала с фиксированной частотой с широтно-импульсной модуляцией, рабочий цикл которого определяет частоту прерывания.

По сути, коэффициент заполнения — это отношение продолжительности включения к общему времени цикла (т. Е. Времени включения + выключения). Следовательно, путем внесения необходимых корректировок в ширину импульсов, частота прерывания регулируется, следовательно, может быть получен регулируемый выход постоянного тока.

Преимущества

  1. Он более эффективен, чем линейные блоки питания. Обычно КПД ИИП находится в пределах 60% — 95% .
  2. Благодаря высокочастотной работе устройства габаритные размеры небольшие и менее громоздкие.Таким образом, компактно.
  3. Недорого, потому что тепловыделение меньше.
  4. Полученное выходное напряжение может быть больше или меньше входного напряжения питания.

Недостатки

  1. Возникновение переходных всплесков из-за переключающего действия — одна из основных проблем. Это может вызвать радиопомехи, поэтому изоляция является обязательной.
  2. Схема сложная. Кроме того, регулирование (управление) напряжения является сложной задачей.
  3. Надлежащая фильтрация необходима для устранения шума и всплесков.

Применение ИИП

Устройства, изобретенные в соответствии с новейшими технологиями, требуют высокоэффективного источника питания, предлагаемого SMPS. Таким образом, он находит применение в различных усилителях мощности, персональных компьютерах, системах безопасности и железнодорожных системах, телевизорах, моторных приводах и т. Д.

Импульсный источник питания — основные принципы работы ИБП. Разработка импульсного источника питания с активной коррекцией коэффициента мощности. Эпизод I

Во многих электрических устройствах давно применяется принцип реализации вторичного питания за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции по обеспечению электроэнергией цепей, которым требуется питание от определенных типов напряжений, частот, токов…

Для этого создаются дополнительные элементы: преобразующие напряжение одного типа в другой. Их может быть:

    встроен в корпус потребителя, как и на многих микропроцессорных устройствах;

    , либо из отдельных модулей с соединительными проводами по схеме обычного зарядного устройства для мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно сосуществуют два принципа преобразования энергии для потребителей электроэнергии, на основе:

1.использование аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную цепь;

2. Импульсные источники питания.

Имеют принципиальные отличия в конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Изначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, запитанного от бытовой сети 220 вольт, при котором уменьшается амплитуда синусоидальной гармоники, которая направляется далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, которые соединены, как правило, по мостовой схеме.

После этого пульсации напряжения сглаживаются подключенным параллельно конденсатором, выбираемым по значению допустимой мощности, и стабилизируются полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

Изменяя положение подстроечных резисторов в цепи стабилизации, можно регулировать значение напряжения на выходных клеммах.

Импульсные источники питания (ИБП)

Такие конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электрических устройствах за счет:

    наличие комплектации с распространенной элементной базой;

    надежность в исполнении;

    возможности расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все импульсные блоки питания немного отличаются по конструкции и работают по той же схеме, что и другие устройства.

В состав основных частей блоков питания входят:

    сетевой выпрямитель, состоящий из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего изоляцию от помех и развязки статического электричества от конденсаторов, сетевого предохранителя и диодного моста;

    Накопительный фильтр-емкость

    ;

    ключевой силовой транзистор;

    мастер-генератор;

    схема обратной связи на транзисторах;

    Оптрон

    ;

    импульсный источник питания, из вторичной обмотки которого излучается напряжение для преобразования в силовую цепь;

    выпрямительных диода выходной цепи;

    цепей управления выходным напряжением, например, 12 вольт с регулировкой на оптроне и транзисторах;

    Конденсаторы фильтрующие

    ;

    силовых дросселей, выполняющих роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

    выходных разъемов.

Пример электронной платы такого импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на рисунке.

Принцип работы импульсного блока питания

Импульсный источник питания обеспечивает стабилизированное напряжение питания за счет использования принципов взаимодействия элементов схемы инвертора.

Сетевое напряжение 220 вольт по подключенным проводам подводится к выпрямителю.Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром, использующим конденсаторы, которые могут выдерживать пики порядка 300 вольт, и разделены фильтром шума.

Импульсный источник питания используется для преобразования входного напряжения в значение, требуемое внутренними элементами устройства. Другое название импульсных источников, получившее широкое распространение, — инверторы.

Что это такое?

Инвертор — это вторичный источник питания, в котором используется двойное преобразование входного переменного напряжения.Значение выходных параметров регулируется изменением длительности (ширины) импульсов и, в некоторых случаях, их частоты следования. Этот тип модуляции называется широтно-импульсной модуляцией.

Принцип работы импульсного источника питания

Работа инвертора основана на выпрямлении первичного напряжения и его дальнейшем преобразовании в последовательность высокочастотных импульсов. Этим он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока используется для формирования сигнала отрицательной обратной связи, позволяющего регулировать параметры импульсов.Управляя шириной импульса, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока. То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Количество и полярность выходных значений могут сильно различаться в зависимости от того, как работает импульсный источник питания.

Разновидности источников питания

Нашли применение несколько типов инверторов, различающихся конструктивной схемой:

  • бестрансформаторные;
  • трансформатор.

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

Из недостатков бестрансформаторных устройств главный — они не имеют гальванической развязки от питающей сети и могут представлять опасность поражения электрическим током. Они также обычно имеют низкую мощность и дают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых последовательность высокочастотных импульсов подается на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно, что позволяет формировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена собственным выпрямителем и сглаживающим фильтром.

По такой схеме построен мощный импульсный блок питания любого компьютера, обладающий высокой надежностью и безопасностью. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 вольт, так как эти значения требуют наиболее точной стабилизации.

Применение трансформаторов для преобразования высокочастотного напряжения (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило во много раз уменьшить их габариты и вес и использовать в качестве сердечника не электрическое железо, а ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой. материал (магнитопровод).

Преобразователи постоянного тока также построены на основе широтно-импульсной модуляции. Преобразование было затруднено без использования инверторных схем.

Схема питания

Наиболее распространенная конфигурация импульсного преобразователя включает:

  • фильтр подавления сетевых шумов;
  • выпрямитель;
  • сглаживающий фильтр;
  • широтно-импульсный преобразователь;
  • ,
  • ключевых транзисторов;
  • выходной высокочастотный трансформатор;
  • выпрямители выходные;
  • выходные индивидуальные и групповые фильтры.

Фильтр шумоподавления предназначен для предотвращения помех от работы устройства в электросети. Коммутация мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком диапазоне частот. Поэтому здесь необходимо использовать специально разработанные для этого элементы в качестве проходных конденсаторов фильтрующих звеньев.

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

При использовании выпрямитель и фильтр становятся ненужными, а входной сигнал, проходя через схему фильтра шумоподавления, подается непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ — наиболее сложная часть схемы импульсного источника питания. В его задачи входят:

  • генерация высокочастотных импульсов;
  • ,
  • , управление выходными параметрами блока и коррекция импульсной последовательности в соответствии с сигналом обратной связи;
  • контроль и защита от перегрузки.

Сигнал ШИМ поступает на управляющие выходы мощных ключевых транзисторов, включенных по мостовой или полумостовой схеме. Силовые клеммы транзисторов загружены на первичную обмотку выходного высокочастотного трансформатора. Вместо традиционных используются транзисторы IGBT или MOSFET, которые отличаются низким падением напряжения на переходах и высокой скоростью. Улучшенные параметры транзисторов способствуют снижению рассеиваемой мощности при тех же габаритах и ​​параметрах технического дизайна.

В выходном импульсном трансформаторе используется тот же принцип преобразования, что и в классическом преобразователе. Исключение составляет работа с повышенной частотой. В результате высокочастотные трансформаторы с одинаковой передаваемой мощностью имеют меньшие габариты.

Напряжение со вторичной обмотки (их может быть несколько) поступает на выходные выпрямители. В отличие от входного выпрямителя, вторичные выпрямительные диоды должны иметь повышенную рабочую частоту. На этом участке схемы лучше всего работают диоды Шоттки.Их преимущества перед обычными:

  • высокая рабочая частота;
  • уменьшенная емкость p-n перехода;
  • низкое падение напряжения.

Назначение выходного фильтра импульсного источника питания — уменьшить пульсации выпрямленного выходного напряжения до необходимого минимума. Поскольку частота пульсаций намного выше, чем у сетевого напряжения, нет необходимости в больших значениях емкости конденсаторов и индуктивности катушек.

Область применения импульсного источника питания

В большинстве случаев вместо традиционного трансформатора с полупроводниковыми стабилизаторами используются импульсные преобразователи напряжения. При одинаковой мощности инверторы отличаются меньшими габаритами и массой, высокой надежностью, а главное более высоким КПД и возможностью работы в широком диапазоне входных напряжений. А при сопоставимых габаритах максимальная мощность инвертора в несколько раз выше.

В такой области, как преобразование постоянного напряжения, импульсные источники практически не имеют альтернативной замены и способны работать не только на понижение напряжения, но и на формирование повышенного напряжения, на организацию смены полярности.Высокая частота преобразования значительно облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

Малогабаритные инверторы на специализированных интегральных схемах используются в качестве зарядных устройств для всех видов гаджетов, а их надежность такова, что срок службы зарядного устройства может в несколько раз превышать время работы мобильного устройства.

Драйверы питания на 12 В для включения светодиодных источников освещения также построены по импульсной схеме.

Как сделать импульсный блок питания своими руками

Инверторы, особенно мощные, имеют сложную схемотехнику и доступны для повторения только опытным радиолюбителям.Для самостоятельной сборки сетевых блоков питания можно порекомендовать простые маломощные схемы с использованием специализированных микросхем ШИМ-контроллера. Такие ИС имеют небольшое количество элементов трубопроводов и имеют проверенные типовые схемы переключения, практически не требующие регулировки и настройки.

При работе с самодельными конструкциями или ремонте промышленных устройств необходимо помнить, что часть схемы всегда будет находиться под потенциалом сети, поэтому необходимо соблюдать меры безопасности.

Технологический прогресс не стоит на месте, и сегодня импульсные блоки заменили трансформаторные блоки питания. Причин тому множество, но самые главные из них:

  • Простота и низкая стоимость в производстве;
  • Удобство использования;
  • Компактность и существенно удобные габаритные размеры.

Прочтите руководство о том, как выбрать детектор скрытой проводки и как его использовать.

С технической точки зрения импульсный источник питания — это устройство, которое выпрямляет сетевое напряжение и затем формирует из него импульс с частотной характеристикой 10 кГц.Следует отметить, что КПД этого технического устройства достигает 80%.

Принцип работы

По сути, весь принцип работы импульсного блока питания сводится к тому, что устройство этого типа направлено на выпрямление поступающего на него напряжения при подключении к сети с последующим формированием рабочий импульс, благодаря которому этот электроагрегат может функционировать.

Многие задаются вопросом, в чем основные отличия импульсного прибора от обычного? Все сводится к тому, что он имеет улучшенные технические характеристики и меньшие габаритные размеры.Кроме того, импульсный блок дает больше энергии, чем его стандартная версия.

Просмотры

На данный момент на территории РФ при необходимости можно найти блоки питания импульсного типа следующих разновидностей и категорий:

  • Simple на IR2153 — данная модификация является наиболее востребованной среди отечественный потребитель;
  • На TL494
  • На UC3842
  • От энергосберегающей лампы — это что-то вроде модифицированного технического устройства гибридного типа;
  • Для усилителя — имеет высокие технические характеристики;
  • Из электронного балласта — из названия понятно, что прибор основан на работе весов электронного типа.Прочтите обзор, какие бывают светодиодные лампы для дома и какие выбрать.
  • Регулируемый — этот тип механического агрегата можно регулировать и настраивать самостоятельно;
  • Для УМЗЧ — имеет узкое специфическое применение;
  • Мощный — обладает высокими энергетическими характеристиками;
  • 200 вольт — данный тип устройства рассчитан на максимальное напряжение 220В;
  • Сеть 150 Вт — работает только от сети, максимальная мощность — 150 Вт;
  • 12 В — устройство технического характера, способное нормально работать при напряжении 12 В;
  • 24 В — нормальная работа прибора возможна только при 24 В
  • Мостовой — при сборке использовалась мостовая схема подключения;
  • Для лампового усилителя — все характеристики рассчитаны на работу с ламповым усилителем;
  • Для светодиодов — имеет высокую чувствительность, используется для работы со светодиодами;
  • Биполярный, имеет двойную полярность, устройство соответствует высоким стандартам качества;
  • Flyback — закольцован в реверсивном режиме, имеет повышенные показатели мощности и напряжения.
  • Схема

    Все импульсные блоки питания, в зависимости от объема эксплуатации и технических особенностей, имеют разные схемы:

    • 12 В — стандартный вариант для сборки данного типа системы;
    • 2000 Вт — данная схема предназначена только для мощных технических устройств;
    • Для шуруповерта на 18 В — схема конкретная, при сборке требует от мастера специальных знаний;
    • Для лампового усилителя — в данном случае речь идет о простой схематической конструкции, которая в том числе учитывает выход на ламповый усилитель;
    • Для ноутбуков — предполагает наличие специальной системы защиты от скачков напряжения;
    • На Top 200 — технические характеристики устройства будут 40 В и 3 А.Прочтите об устройстве генератора.
    • На TL494 схема — с учетом предельного тока и регулировки входного напряжения;
    • На UC3845 — собрать импульсный блок питания по данной схеме не составит труда;
    • импульсный источник питания по схеме ir2153 — применим для усилителей низкой частоты;
    • На микросхеме LNK364PN — реализовано на основе микросхемной конструкции UC 3842;
    • На полевом транзисторе уже из названия понятно, что эта схема применима для полевого транзистора;
    • Схема прямого импульсного блока питания имеет простую конструкцию, не требует специальных навыков при сборке.

    Ремонт

    Статья посвящена импульсным источникам питания (далее ИБП), которые сегодня широко используются во всех современных электронных устройствах и самоделках.
    Основным принципом работы ИБП является преобразование сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое преобразуется в требуемые значения, выпрямляется и фильтруется.
    Преобразование осуществляется с помощью мощных транзисторов, работающих в режимах ключевого и импульсного трансформатора, которые вместе образуют схему ВЧ преобразователя.Что касается схемотехники, то существует два варианта преобразователей: первый выполнен по схеме автогенератора импульсов, а второй — с внешним управлением (используется в большинстве современных электронных устройств).
    Поскольку частоту преобразователя обычно выбирают в среднем от 20 до 50 килогерц, то габариты импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно минимизированы, что является очень важным фактором для современной техники.
    Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением, см. Ниже:

    Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1.Сетевое напряжение через сетевой фильтр (SF) поступает на сетевой выпрямитель (SV), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Cf и через обмотку W1 трансформатора T1 поступает на коллектор транзистора VT1. Когда прямоугольный импульс подается в базовую цепь транзистора, транзистор открывается и через него протекает возрастающий ток Ik. Такой же ток будет протекать через обмотку W1 трансформатора T1, что приведет к тому, что магнитный поток в сердечнике трансформатора возрастет, а во вторичной обмотке W2 трансформатора индуцируется ЭДС самоиндукции.В конечном итоге на выходе диода VD появится положительное напряжение. Более того, если мы увеличим длительность импульса, подаваемого на базу транзистора VT1, напряжение во вторичной цепи увеличится, потому что будет отдано больше энергии, а если мы уменьшим длительность, напряжение соответственно уменьшится. Таким образом, изменяя длительность импульса в базовой цепи транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки T1, а значит, стабилизировать выходные напряжения БП.
    Единственное, что для этого нужно, это схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительностью (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ-контроллер. ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция. ШИМ-контроллер включает в себя задающий генератор импульсов (который определяет частоту работы преобразователя), схемы защиты и управления, а также логическую схему, регулирующую длительность импульса.
    Для стабилизации выходных напряжений ИБП схема ШИМ-контроллера «должна знать» величину выходных напряжений.Для этих целей используется следящая цепь (или цепь обратной связи), выполненная на оптроне U1 и резисторе R2. Повышение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а значит, к снижению сопротивления перехода фототранзистора (входящего в оптопару U1). Это, в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, включенном последовательно с фототранзистором, и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ-контроллера.Снижение напряжения заставляет логическую схему, которая является частью контроллера ШИМ, увеличивать ширину импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать указанным параметрам. Когда напряжение уменьшается, процесс меняется на противоположный.
    ИБП использует 2 принципа цепей контроля — «прямой» и «косвенный». Описанный выше метод называется «прямым», поскольку напряжение обратной связи снимается непосредственно со вторичного выпрямителя. При «непрямом» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:

    Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2 приведет к изменению напряжения на обмотке W3, которое также приложено через резистор R2 к выводу 1 ШИМ-контроллера.
    Со схемой слежения, думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ​​ситуацию, как короткое замыкание (короткое замыкание) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая вторичной цепи ИБП, будет потеряна, и выходное напряжение будет практически нулевым. Соответственно, схема контроллера ШИМ будет пытаться увеличить длительность импульса, чтобы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В результате транзистор VT1 будет находиться в открытом состоянии дольше и дольше, а ток, протекающий через него, будет увеличиваться.В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. ИБП обеспечивает защиту транзистора преобразователя от перегрузки по току в таких нештатных ситуациях. Он основан на резисторе Rprotection, включенном последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Ik. Увеличение тока Ik, протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, и, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 контроллера ШИМ, также будет уменьшаться.Когда это напряжение упадет до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ-контроллера перестанет генерировать импульсы на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или, другими словами, включит выключенный.
    В конце темы хотелось бы более подробно описать достоинства ИБП. Как уже было сказано, частота импульсного преобразователя достаточно высока, а значит, уменьшаются габаритные размеры импульсного трансформатора, а значит, как ни парадоксально это звучит, стоимость ИБП меньше, чем у традиционного БП, т. К. меньше расход металла на магнитопровод и медь на обмотки.хотя количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одно из преимуществ ИБП — малая, по сравнению с обычным блоком питания, емкость конденсатора вторичного выпрямительного фильтра. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания достигает 85%. Это связано с тем, что ИБП потребляет мощность от электрической сети только при открытом транзисторе преобразователя, при его закрытии энергия отдается нагрузке за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.
    К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсного шума, излучаемого самим ИБП. Увеличение шума связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В этом режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это недостаток любого транзистора, работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с низкими напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением 5 вольт) это не страшно, в нашем случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет около 315 вольт.Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в традиционных источниках питания.

Импульсные или ключевые, блоки питания сейчас получили не меньшее распространение, чем линейные регуляторы напряжения. Их основные преимущества: высокий КПД, малые габариты и вес, высокая удельная мощность. Это стало возможным благодаря использованию основного режима работы силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка большую часть времени находится в области насыщения или области отсечки ВАХ, а зона активного (линейного) режима проходит с высокой скоростью за очень короткое время переключения.В состоянии насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю, а в режиме отсечки ток отсутствует, из-за чего потери в транзисторе довольно малы. Поэтому средняя мощность за период переключения, рассеиваемая в переключающем транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейных регуляторах. Небольшие потери в переключателях мощности приводят к уменьшению или полному отказу от радиаторов.

Улучшение массогабаритных характеристик блоков питания связано, прежде всего, с тем, что из схемы питания исключен силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц.Вместо этого в схему вводят высокочастотный трансформатор или дроссель, габариты и вес которого намного меньше низкочастотного силового трансформатора.

К недостаткам импульсных блоков питания можно отнести: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличение пульсаций выходного напряжения, длительный выход на рабочий режим. Сравнительные характеристики обычных (то есть с низкочастотным силовым трансформатором) и импульсных источников питания приведены в таблице 2.1.

Сравнение этих характеристик показывает, что КПД импульсных блоков питания увеличивается по сравнению с обычными (линейными) блоками питания в соотношении 1: 2, а удельная мощность — в соотношении 1: 4. При увеличении частоты преобразования. от 20 кГц до 200 кГц плотность мощности увеличивается в соотношении 1: 8, т.е. почти вдвое. Импульсные источники питания также имеют более длительное время удержания выходного напряжения в случае внезапного отключения электроэнергии.

Это связано с тем, что в сетевом выпрямителе импульсного источника используются конденсаторы большой емкости с высоким рабочим напряжением (до 400 В).В этом случае размеры конденсаторов растут пропорционально произведению CU, а энергия конденсатора пропорциональна CU 2. Этой энергии конденсатора достаточно для поддержания блока питания в рабочем состоянии в течение примерно 30 мс, что очень важно для сохранения информации в компьютерах в случае внезапного отключения электроэнергии.

Таблица 2.1 — Сравнение импульсных и линейных источников

При этом пульсации выходного напряжения в импульсных источниках питания больше, чем у линейных источников питания, что связано со сложностью подавления коротких импульсов при работе импульсного преобразователя.Остальные характеристики этих источников практически не отличаются.

Конструкция ИВЭП … При всем разнообразии структурных схем на рисунках 2.1 … 2.8 наличие каскада мощности обязательно,

, выполняя преобразование постоянного напряжения в другое постоянное, условно будем предполагать, что импульсные преобразователи реализуют функцию гальванической развязки (гальванической развязки) входных и выходных цепей, а импульсные стабилизаторы отсутствуют.Функциональное назначение силовых каскадов преобразователей и стабилизаторов одинаково.

Широко используется ИВЭП компенсационного типа, выполненный с обратной связью, рисунок 2.1, Силовой каскад 3, на управляющий вход которого подается последовательность импульсов с определенными временными параметрами; осуществляет импульсное преобразование постоянного напряжения от первичного источника Еп в выходное напряжение Uн (жирными линиями показаны силовые цепи ИВЭП).

В общем случае один ИВЭП может иметь несколько выходных цепей с напряжениями Uн.Импульсный усилитель 2 может выполнять не только функцию усиления управляющих импульсов по мощности для транзисторов 3, но и функцию формирования импульсов: он выполняет временное разделение импульсов, например, для двухтактных преобразователей напряжения он формирует короткие управляющие импульсы для цепей 3 с трансформаторами тока или специальными типами силовых транзисторов и др ..

Рисунок 2.1 — Блок-схема импульсной компенсации ИВЭП

Импульсы, синхронизирующие работу IVEP, генерируются модулятором 1.Выходное постоянное напряжение Uн поступает на вход схемы сравнения 4, где сравнивается с опорным напряжением Uref. Сигнал рассогласования (ошибки) поступает на вход модулятора, который устанавливает временные параметры синхронизирующих импульсов. Увеличение или уменьшение напряжения Uн приводит к изменению сигнала рассогласования на выходе 4 и временных параметров синхронизирующих импульсов на входе 1, что вызывает восстановление предыдущего значения напряжения Uн, т.е. его стабилизацию. Таким образом, ИВЭП, выполненный по схеме на Рисунке 2.1, представляет собой стабилизирующий импульсный преобразователь напряжения компенсационного типа, который поддерживает неизменность выходного напряжения при изменении выходного тока In, входного напряжения Ep, температуры окружающей среды и влияния других дестабилизирующих факторов.

Рассмотрим IVEP с инвариантной (иногда называемой параметрической) стабилизацией выходного напряжения на рисунке 2.2.

Суть данного метода стабилизации заключается в том, что под действием любого фактора, способного вызвать отклонение значения напряжения Uн от заданного, временные параметры управляющих импульсов изменяются, что приводит к тому, что Uн остается неизменным. .Однако, в отличие от компенсационных стабилизаторов, изменение временных характеристик управляющих импульсов в этом случае зависит от величины отклонения самого дестабилизирующего воздействия.

Рисунок 2.2 — Блок-схема импульсного параметрического ИВЭП

На рисунке 2.2 генератор, обеспечивающий такую ​​функциональную зависимость, обозначен цифрой 1. Здесь пунктирной линией показана связь между En и управляющим входом генератора для обеспечения закона инвариантности Uн от En.

Источники вторичного питания без стабилизации выходного напряжения выполнены по схеме, представленной на рисунке 2.3. Генератор импульсов 1 генерирует импульсы с постоянными временными параметрами. Очевидно, что для того, чтобы напряжение Uн оставалось постоянным, необходимо наличие стабильного напряжения Ep.

Рисунок 2.3 — Блок-схема нестабилизированного ИВЭП

IWEP, показанный на рисунке 2.4, выполняет двойное преобразование энергии постоянного тока. Первый силовой каскад 1, как правило, импульсный стабилизатор преобразует напряжение Ер в стабилизированное напряжение Ер1.Второй силовой каскад 2 обеспечивает гальваническую развязку напряжения и, при необходимости, дополнительную стабилизацию Uн. В общем случае компенсация и инвариантная стабилизация могут осуществляться не только на 1, но и на обоих этапах, что показано штриховыми линиями цепей отрицательной обратной связи. Силовые каскады 1 и 2 могут быть разными версиями силовых каскадов любого из ИВЭП.

Рисунок 2.4 — Блок-схема двойного преобразования ИВЭП

Блок-схема блока ИВЭП со ступенчатым увеличением мощности представлена ​​на рисунке 2.5. Для увеличения выходной мощности используется параллельное соединение ступеней 3 … 5.

Рисунок 2.5 — Блок-схема модульного ИВЭП

Поскольку параллельное включение традиционных ИВЭП без применения специальных мер по выравниванию мощности каждой из них невозможно, в данном случае используется принцип многофазного построения ИВЭП. Он заключается в том, что МП модулятора-формирователя не только преобразует сигнал ошибки СС в соответствующую импульсную последовательность, но и выполняет функцию фазового распределения импульсных сигналов по нескольким силовым каскадам.В результате такой работы ИЭПМ временные каскады разомкнутого и замкнутого состояния силовых ключей транзисторов разных силовых каскадов разнесены во времени.

Все рассмотренные схемы ИВЭП сопоставимы по различным параметрам — стабильности выходных напряжений, массогабаритным характеристикам, энергетическим показателям, технологичности и себестоимости, а также возможности унификации. При этом одна и та же схема в зависимости от заданных требований может оказаться неоптимальной по набору показателей.Выбрать заранее конкретную схему как наиболее эффективную невозможно, поэтому желательно рассмотреть наиболее общие свойства данных схем. Предположим, что надежность, энергия, вес и габариты силовых каскадов одинаковы и в равной степени зависят от мощности, выходного напряжения и частоты преобразования.

Наибольшей стабильностью выходного напряжения обладает ИВЭП, реализованный по схеме на рисунке 2.1, поскольку обратная связь, влияющая на временные параметры управляющих импульсов, берется непосредственно с выхода ИЭП.Схема ИВЭП, показанная на рисунке 2.4, также имеет высокую стабильность выходного напряжения, если обратная связь на SS снимается с выхода — Un. Несколько худшую устойчивость, но более простую схему управления имеет ИВЭП, выполненный по схеме на рисунке 2.2. Однако он не учитывает изменение падения напряжения на индуктивном и активном элементах 3 при изменении тока нагрузки Iн. Дестабилизирующие изменения напряжения Ep можно компенсировать путем введения дополнительного прямого подключения (пунктирная линия).Существуют ИВЭП с инвариантной стабилизацией не только мешающего воздействия на напряжение Ер, но и мешающего воздействия на ток нагрузки In, температуру окружающей среды и т. Д., Но они не получили широкого распространения. ИВЭП, выполненные по схеме рисунка 2.3, имеют худшую устойчивость из-за отсутствия какой-либо обратной связи под действием дестабилизирующих факторов. Схема ИВЭП, рисунок 2.4, как указано выше, в принципе может иметь высокую стабильность выходного напряжения, однако при отсутствии инвариантных или компенсационных каналов управления ее показатели идентичны схеме на рисунке 2.3.

Использование схем ИВЭП на рисунке 2.2 предпочтительно при относительно высоких напряжениях Uн, во много раз превышающих падение напряжения на силовых переключателях 3, так как трудно получить требуемую функцию 1, учитывающую изменения падения напряжения. через эти переключатели с колебаниями тока нагрузки и температуры окружающей среды.

Таким образом, в случаях, когда выходное напряжение ИВЭП небольшое (не превышает нескольких вольт) и есть существенные изменения тока нагрузки, температуры окружающей среды и напряжения Ер, необходимо использовать ИВЭП, выполненный по структурным схемам ( см. рисунки 2.2,2.4,2.5) с компенсационным принципом регулирования.

Схема на рисунке 2.2 также может использоваться для удовлетворения требований компромисса в отношении стабильности выходного напряжения и простоты схемы управления IHEP. Если первичное напряжение стабильно и изменение падения напряжения на внутренних элементах СК не оказывает заметного влияния на точность поддержания напряжения Uн, используется более простой ИВЭП (рисунки 2.3 и 2.5).

Данные схемы ИВЭП могут использоваться в широком диапазоне первичных напряжений — от одного до сотен вольт.Однако для высоких первичных напряжений может быть рекомендована схема IVEP на рис. 2.4, в которой двойное преобразование электрической энергии позволяет снизить высокое первичное постоянное напряжение Ep до Ep1 с помощью импульсного стабилизатора CKI и использовать его в качестве первичной обмотки для Импульсный преобразователь СК2. При этом преобразователь СК2, как более сложное устройство по сравнению с устройством СКИ, работает в легких электрических режимах, что может обеспечить уменьшение количества элементов, повышение надежности работы и улучшение энергопотребления. производительность преобразователя.

Самыми крупными, материалоемкими и сложными в микроминиатюризации элементами являются дроссели и трансформаторы. В схемах ИВЭП необходимо стремиться к минимизации их количества. В схеме IVEP на рис. 2.4 для двойного преобразования энергии требуются два силовых каскада с принципиально необходимыми индуктивными элементами.

Блочное увеличение выходной мощности требуется для построения различных систем электроснабжения, которые должны быть основаны на однотипном, унифицированном ИВЭП. В этом случае разработка и изготовление ИВЭП питания электронной аппаратуры целесообразно при использовании однотипных блоков с возможностью параллельного подключения для получения необходимой суммарной выходной мощности.В результате можно получить экономический эффект. В этом случае одной из основных целей разработки ИВЭП является выбор дискретного значения мощности отдельного блока, которое должно удовлетворять всем технико-экономическим требованиям существующих систем электроснабжения. Еще одним преимуществом блочных (многофазных) преобразователей является уменьшение общей емкости конденсаторов выходных фильтров, что объясняется распределением по времени процессов передачи энергии на выход отдельных силовых каскадов.Кроме того, многофазные преобразователи позволяют реализовать различные варианты сложных систем электроснабжения, состоящих из таких же унифицированных блоков.

На рис. 2.6 показана схема ИВЭП, содержащая нерегулируемый выпрямитель сети 1 и преобразователь выпрямленного сетевого напряжения. Преобразователь состоит из регулируемого инвертора 2, работающего на повышенной частоте (обычно 20 … 100 кГц), трансформаторного выпрямительного блока 3 и высокочастотного фильтра 4. Для стабилизации выходного напряжения используется схема управления 5.

Рисунок 2.6 — Блок-схема импульсного ИВЭП с регулируемым инвертором

Схема управления сравнивает выходное напряжение Uн и напряжение опорного источника 6. Разность этих напряжений, называемая сигналом ошибки, используется для регулировки частоты управляемого инвертора (f = var) или рабочего цикла импульсы с их постоянной частотой (g = var). Преобразователь на основе несимметричного трансформаторного инвертора называется несимметричным трансформаторным преобразователем — ТОК.Преобразователь на основе двухтактного трансформаторного инвертора называется двухтактным трансформаторным преобразователем — ТДК.

На рис. 2.7 показана схема IVEP с регулируемым сетевым выпрямителем 1 и нерегулируемым инвертором 2. Остальные узлы этой схемы имеют то же назначение, что и на предыдущих схемах. Отличительной особенностью данной блок-схемы является использование нерегулируемого инвертора (НИ). Стабилизация выходного напряжения в этой схеме обеспечивается за счет регулирования напряжения на входе преобразователя с помощью 1, что обычно выполняется на тиристорах с фазным управлением.

Рисунок 2.7 — Блок-схема импульсного ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем

Для схемы, показанной на рисунке 2.6, характерно, что инвертор должен быть рассчитан на работу от выпрямленного сетевого напряжения, максимальное значение которого составляет около 311 В для однофазной сети и около 530 В для трехфазной сети. Кроме того, изменение частоты или скважности импульсов инвертора 2 приводит к ухудшению фильтрации выходного напряжения.В результате ухудшаются вес и размеры фильтра 4, поскольку его параметры рассчитываются на основе минимального рабочего цикла g min при условии, что ток в нагрузке является непрерывным.

Положительными свойствами схемы на рисунке 2.7 является сочетание функции преобразования напряжения и стабилизации выходного напряжения Uн. Это позволяет упростить схему 5 управления, так как количество управляемых ключей уменьшается. Кроме того, наличие паузы позволяет исключить сквозные токи в переключателях инвертора.Достоинством схемы также является возможность обеспечить работу инвертора при пониженном входном напряжении (обычно оно снижается в 1,5 … 2 раза, то есть до 130 … 200В). Это значительно облегчает работу ключей транзисторного инвертора. Еще одним преимуществом этой схемы является то, что инвертор работает с максимальной скважностью g max импульсов, что значительно упрощает фильтрацию выходного напряжения. Исследование КПД и удельной мощности обеих схем показало, что эти показатели различаются незначительно.

Схемы многоканального ИВЭП с нерегулируемым выпрямителем 1 показаны на рисунках 2.8 и 2.9. В схеме на рисунке 2.8 используются нерегулируемый инвертор 2 и отдельные стабилизаторы 5 … 7 в отдельных каналах. Эта блок-схема может использоваться с небольшим количеством выходных каналов. По мере увеличения количества выходных каналов схема становится неэкономичной.

Рисунок 2.8 — Блок-схема многоканального ИВЭП с индивидуальной стабилизацией

Схема, показанная на рисунке 2.9 работает по принципу групповой стабилизации выходного напряжения. Для этого используется регулируемый инвертор, который регулируется напряжением самого мощного из каналов. В этом случае ухудшается стабилизация выходных напряжений в других каналах, поскольку они не покрываются отрицательной обратной связью. Для улучшения стабилизации напряжения в других каналах можно использовать дополнительные индивидуальные стабилизаторы, как показано на схеме на рисунке 2.8.

Рисунок 2.9 — Блок-схема ИВЭП с групповой стабилизацией

Основы и принцип работы импульсного источника питания

Импульсные источники питания

(SMPS) используются в различных приложениях в качестве эффективных и действенных источников питания. Это большая часть их эффективности. Тем, кто все еще работает на настольном компьютере, поищите мощность вентилятора в центральных процессорах (ЦП). Вот где ИИП.

SMPS предлагает преимущества с точки зрения размера, веса, стоимости, эффективности и общей производительности.Они стали привычной частью электронных устройств. По сути, это устройство, в котором преобразование и регулирование энергии обеспечивается силовыми полупроводниками, которые постоянно «включаются» и «выключаются» с высокой частотой.

Различные виды

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Первичная мощность, получаемая от сети переменного тока, выпрямляется и фильтруется как высоковольтный постоянный ток. Затем он с огромной скоростью переключается и подается на первичную обмотку понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор составляет лишь часть размера сопоставимого блока с частотой 50 Гц, что устраняет проблемы с размером и весом.

У нас есть отфильтрованный и выпрямленный выход на вторичной обмотке трансформатора. Теперь он отправляется на выход источника питания. Образец этого выходного сигнала отправляется обратно в переключатель для управления выходным напряжением.

Преобразователь прямой

В прямом преобразователе дроссель пропускает ток, когда транзистор является проводящим, а также когда нет. Диод пропускает ток во время периода выключения транзистора. Следовательно, энергия поступает в нагрузку в течение обоих периодов.Дроссель накапливает энергию во время включения, а также передает некоторую энергию выходной нагрузке.

Обратный преобразователь

В обратном преобразователе магнитное поле катушки индуктивности накапливает энергию в течение периода включения переключателя. Когда переключатель находится в разомкнутом состоянии, энергия разряжается в цепь выходного напряжения. Рабочий цикл определяет выходное напряжение.

Самоколебательный обратноходовой преобразователь

Это наиболее простой и базовый преобразователь, основанный на принципе обратного хода.В течение времени проводимости переключающего транзистора ток через первичную обмотку трансформатора начинает линейно нарастать с крутизной, равной Vin / Lp.

Напряжение, индуцированное во вторичной обмотке и обмотке обратной связи, вызывает обратное смещение выпрямителя с быстрым восстановлением и удерживает токопроводящий транзистор включенным. Когда первичный ток достигает пикового значения Ip, когда сердечник начинает насыщаться, ток имеет тенденцию очень резко возрастать. Такое резкое повышение тока не может поддерживаться приводом с фиксированным основанием, обеспечиваемым обмоткой обратной связи.В результате переключение начинает выходить из насыщения.

Импульсный стабилизатор выполняет регулировку в SMPS. Последовательный переключающий элемент включает и выключает подачу тока на сглаживающий конденсатор. Напряжение на конденсаторе определяет время включения последовательного элемента. Постоянное переключение конденсатора поддерживает напряжение на необходимом уровне.

Основы дизайна

Питание переменного тока сначала проходит через предохранители и сетевой фильтр. Затем он выпрямляется двухполупериодным мостовым выпрямителем.Выпрямленное напряжение затем подается на предварительный регулятор коррекции коэффициента мощности (PFC), за которым следует преобразователь постоянного тока в постоянный ток.

В большинстве компьютеров и небольших устройств используется входной разъем типа Международной электротехнической комиссии (МЭК). Что касается выходных разъемов и распиновки, за исключением некоторых отраслей, таких как ПК и компактные PCI, в целом они не стандартизированы и оставляются на усмотрение производителя.

Почему SMPS

Как и любое электронное устройство, SMPS также включает в себя некоторые активные и некоторые пассивные компоненты.И, как и у каждого из этих гаджетов, у него есть свои преимущества и недостатки.

Давайте начнем с того, почему вам следует выбрать SMPS

  • Переключение означает, что элемент последовательного регулятора включен или выключен. Очень высокий уровень эффективности достигается за счет того, что мы рассеиваем очень мало энергии в виде тепла.
  • Импульсные источники питания могут быть компактными благодаря высокой эффективности и низкому тепловыделению.
  • Технология импульсного источника питания
  • также обеспечивает высокоэффективное преобразование напряжения в приложениях с повышением или «повышением» и понижением или понижением напряжения.

Тогда есть плохой набор

  • Переходные пики из-за действия переключения могут мигрировать в другие области схем, если они не отфильтрованы должным образом. Они могут вызывать электромагнитные или радиочастотные помехи, влияющие на другие расположенные поблизости электронные устройства, особенно если они принимают радиосигналы.
  • Может быть немного сложно гарантировать, что SMPS работает в соответствии с требуемой спецификацией. Уровни пульсации и помех особенно сложны.
  • Стоимость импульсного источника питания рассчитывается до его проектирования или использования.Дополнительная фильтрация еще больше увеличивает стоимость.

Видео ниже от Джейкоба Дикстры покажет вам один из них.

Что нас ждет в будущем?

В будущем мы могли бы иметь более эффективный SMPS, нацеленный на лучший преобразователь, выполняющий наиболее эффективный процесс преобразования. Основными направлениями для разработчиков при повышении эффективности SMPS будут:

  • Более высокая выходная мощность
  • Достижение более высокого выходного тока и низкого напряжения
  • Увеличение удельной мощности
  • Использование переключающего устройства, такого как диод Шоттки
SiC диод Шоттки, испытанный на рабочем диапазоне 300-600 В, может использоваться в качестве активного устройства вместо транзистора с высокой частотой переключения.Почему бы тебе не попробовать? В лаборатории. Может быть, под руководством специалиста…

Эта статья была впервые опубликована 25 августа 2017 г. и обновлена ​​29 апреля 2020 г.

Импульсные источники питания для промышленного применения

Сегодня импульсные блоки питания используются практически во всех электронных устройствах: они используются по последнему слову техники в компьютерах и телевизорах, а также в промышленном оборудовании и системах.

По сравнению с источниками питания с аналоговым управлением, импульсные источники питания получают баллы за их высокую эффективность, низкий нагрев и высокую надежность.Кроме того, высокая тактовая частота позволяет использовать компоненты небольшого размера и веса, что положительно сказывается на стоимости.

Свойства промышленных источников питания

Промышленные блоки питания предназначены для работы в суровых условиях, поскольку они могут выдерживать высокие температуры и имеют очень небольшой размер.

Однако есть и другие важные параметры, которые следует учитывать при оценке качества и надежности импульсных источников питания. К ним относятся КПД, управление температурным режимом, допустимая рабочая температура, кривые снижения номинальных характеристик для входного напряжения и температуры окружающей среды, а также время переключения в случае сбоя питания.

Температурный менеджмент

Продуманная система управления теплом позволяет устанавливать источник питания в любом направлении. В промышленной среде открытый источник питания должен обеспечивать постоянную производительность при температуре окружающей среды не менее 70 ° C. Блок питания следует устанавливать в разомкнутой цепи.

Однако решающим фактором является кривая снижения номинальных значений температуры, которая указывает максимально допустимую выходную мощность в зависимости от условий окружающей среды.Например, в источниках питания низкого качества отсутствуют необходимые защитные механизмы для автоматического регулирования выходной мощности в худшем случае.

Краткий обзор трех типов промышленных источников питания

В принципе, на рынке различают три типа промышленных источников питания — в зависимости от требований приложения и конструкции.

Блоки питания для DIN-рейки

Блоки питания

на DIN-рейку используются для простой установки в технические распределительные шкафы.Размер блока питания адаптирован к требованиям к производительности. Для этого размер устройства или корпуса определяется в единицах (TE): один TE соответствует 18 мм; у более мощных моделей до 4 ТЕ.

Импульсные блоки питания закрытого исполнения

Импульсные блоки питания закрытого исполнения (в корпусе) доступны для прямого монтажа. Обычно у них очень хорошие показатели. Причина этого — большее пространство в корпусе, которое можно использовать для компенсации большого количества отходящего тепла.Кроме того, многие модели этого типа имеют встроенные вентиляторы.

Соединения часто проектируются для кабелей большого сечения, поэтому замкнутые импульсные источники питания в корпусе идеально подходят для требовательных приложений благодаря оптимальному питанию и разрядке. Компактность и экономическая эффективность столь же важны для этих импульсных источников питания, как и для источников питания на DIN-рейку.

Импульсные источники питания Open Frame

Однако блоки питания без корпуса, так называемые импульсные блоки питания с открытой рамой, особенно экономичны.Здесь все компоненты размещены на компактной печатной плате, которая из-за своего небольшого размера может быть легко установлена ​​в устройства с существующими корпусами.

Источники питания

Open Frame идеально подходят для миниатюризации и гибкой установки, что делает их идеальными для интегрированных (встраиваемых) приложений в небольшие устройства.

Краткий обзор важнейших качественных характеристик и параметров

Номинальная мощность: Мощность, которая может передаваться в непрерывном режиме.

Высокая эффективность: Определяет рассеиваемую потерю тепла. Высокая эффективность снижает эксплуатационные расходы в долгосрочной перспективе. В промышленных условиях источники питания обычно работают в непрерывном режиме — в отличие, например, от строительной техники. Поэтому блоки питания, разработанные для этой цели, оптимизированы для обеспечения особенно высокого КПД до 93 процентов.

Низкие затраты: Низкие затраты на приобретение, низкие эксплуатационные расходы при высокой эффективности и длительном сроке службы.Высокая эффективность приводит к низкому рассеянию мощности, что приводит к меньшему тепловыделению. Это, в свою очередь, снижает нагрузку на компоненты, что увеличивает срок службы и надежность, что приводит к снижению общих затрат.

Маленький размер (объем) приводит к более высокой удельной мощности.

Снижение номинального входного напряжения: Указывает, какая мощность действительно может потребляться при каком входном напряжении.

Хорошие температурные характеристики: Возможно нанесение при особенно высоких или низких температурах (прибл.От -20 ° C до +80 ° C).

Малый вес: особенно важно для мобильных приложений

Монтажное положение: Указывает, какие регулировки блока питания допустимы для надежного отвода тепловых потерь.

Низкое рассеивание мощности: Активный PFC (коррекция коэффициента мощности) снижает гармоники и потери энергии.

Безопасность: Защита от короткого замыкания, перегрузки, перенапряжения и перегрева.

Электромагнитная совместимость: Согласно стандартам ЕС электрические устройства не должны мешать друг другу.

Импульсные блоки питания от Mean Well

На примере производителя Mean Well мы представляем вам широкий обзор различных импульсных источников питания. Mean Well предлагает комплексные решения для электроснабжения. Для промышленного использования Mean Well предлагает широкий ассортимент импульсных источников питания, таких как модели с DIN-рейкой, с открытым корпусом и корпусом, а также источники питания для медицинского сектора.

Производитель уделяет особое внимание продукции с высокой добавленной стоимостью и расширенными функциями. Импульсные источники питания уже много раз зарекомендовали себя на рынке с точки зрения качества, разнообразия продукции и очень хорошего соотношения цены и качества.

С момента своего основания в 1982 году производитель проводит всесторонний анализ рынка, фиксирует требования клиентов и разрабатывает экономически эффективный стандарт с максимально возможным охватом.

Блоки питания для DIN-рейки

В области источников питания для DIN-рейки серия HDR отличается высокой производительностью при особенно компактном дизайне, особенно по сравнению с первым поколением, серией DR.

Источники питания мощностью 15 Вт (HDR-15), 30 Вт (HDR-30) и 60 Вт (HDR-60) в основном используются в автоматизации зданий и управлении домами, поскольку все они соответствуют классу защиты II.

Серия HDR от Mean Well имеет ступенчатый пластиковый корпус, диапазон входного напряжения от 85 до 264 В переменного тока и предлагает модели на 5 В, 12 В, 15 В, 24 В и 48 В.

Высота всех блоков питания составляет всего 90 мм, ширина — от 17,5 мм до 70 мм. Модели могут быть установлены на стандартные DIN-рейки TS-35 / 7,5 и TS-35/15.

Их особенности также включают низкое потребление холостого хода <0,3 Вт, высокий КПД до 91% и регулируемое выходное напряжение постоянного тока, а также широкий диапазон рабочих температур (от -30 до +70 ° C).

Импульсные блоки питания на DIN-рейку

Новинка в ассортименте Mean Well — это сверхтонкие импульсные блоки питания мощностью 150 Вт для монтажа на DIN-рейку.В настоящее время они являются самыми маленькими на рынке и имеют усиленную изоляцию до класса защиты II.

Они имеют входное напряжение от 85 до 264 В переменного тока, низкое энергопотребление при нулевой нагрузке менее 0,3 Вт и высокий КПД 90,5%. Они также имеют регулируемое выходное напряжение постоянного тока ± 10% и широкий диапазон рабочих температур от -30 до +70 ° C.

Серия разработана для приложений категории перенапряжения III (OVCIII), что позволяет использовать их в широком диапазоне. К ним относятся автоматизация зданий, бытовые системы управления, промышленные системы управления и электромеханические устройства.

HDR-150 соответствует стандарту ЕС EN61000-3-2, класс A для гармонических токов, сертифицирован в соответствии с действующими правилами безопасности и, имея высоту 90 мм и ширину 105 мм (6TE), соответствует стандарту ЕС EN43880 для установки на DIN-рейку.

Источники питания для прямого монтажа

Линейки закрытых источников питания для прямого монтажа UHP UHP-200/350/500 и UHP 1000 особенно удобны в использовании благодаря их тонкой конструкции с U-образным кронштейном и плоской высоте профиля.

Серия отличается высокой эффективностью до 95% при высокой температуре окружающей среды от -30 до +70 ° C с простой конвекцией воздуха.

Эти блоки питания обеспечивают запас мощности 150% (100 мс) от номинального тока для пиковых нагрузок и могут использоваться на высоте до 5000 метров над уровнем моря.

Цифровые блоки питания

Для интеллектуального источника питания Mean Well предлагает цифровые высокоэффективные источники питания новых серий DBU, DBR, DRP и DPU мощностью 3200 Вт. Они основаны на единой цифровой платформе, что позволяет использовать блоки питания и зарядные устройства для установки устройств или монтажа в стойку.

Цифровые устройства в тонком профиле 1U имеют высокую удельную мощность 37 Вт / дюйм³, оптимизированный КПД в зависимости от нагрузки и, как следствие, максимальный КПД до 94,5%.

Продукты, оснащенные активным PFC, работают с входным напряжением 90-264 В переменного тока и обеспечивают напряжение постоянного тока, наиболее часто требуемое в промышленности.

Серия

предлагает высокую степень гибкости конструкции, поскольку ее можно индивидуально интегрировать в приложения с различными интегрированными, аналоговыми или цифровыми управляемыми функциями, такими как программирование кривых зарядки, параметризация выходных характеристик и защита от перегрузки или дистанционная функция.

Цифровой дизайн повышает производительность и надежность. Меньшее количество аналоговых компонентов, таких как ИС управления питанием, делает устройства намного более компактными и увеличивает удельную мощность.

Помимо использования в приложениях Industrial 4.0 или промышленной автоматизации, серия также подходит для телекоммуникационного оборудования.

Фото на обложке: Fotolia 79427571

Что такое импульсный блок питания против линейного, как он работает?

Когда нам нужен энергоэффективный блок питания небольшого размера.Многие выбирают импульсный блок питания. Раньше мне нравились линейные блоки питания. Но иногда я должен пробовать другие способы.

В этом посте мы узнаем, что такое импульсный источник питания по сравнению с линейным, как это работает?

Тебе, может быть, он нравится так же, как и мне. После прочтения этой статьи.

Какие бывают типы блоков питания

Блок питания является источником энергии для различных цепей. Он преобразует сеть переменного тока в напряжение постоянного тока. Это постоянное или переменное напряжение, применяемое в вашей работе.

Существует 2 основных типа источников питания:

  • Обычно используется линейный источник питания.
    Это простые схемы не сложные. Но они большие и низкий КПД всего около 50% и более. При их работе наблюдаются потери в виде сильного нагрева.
  • Импульсный блок питания В настоящее время
    Многие предприятия выбирают этот тип блока питания. Потому что маленький Высокий КПД составляет около 85% и более. Представьте, что мы вводим 100% электроэнергии. Его можно преобразовать в 85% энергии.И 15% теряется в виде тепла.

Но схема коммутации питания довольно сложная. Раньше я старался избегать этого, потому что не был уверен, смогу ли я это легко объяснить.

Готовы начать?

Начнем с блок-схемы импульсного блока питания. Хотя конструкция выглядит сложной. Но если схему можно разделить на части, это будет проще для понимания.

Структурная схема импульсного блока питания

Изюминкой этой схемы является работа с высокой частотой.Поэтому имеет трансформатор меньшего размера. Имеется система переключения с высокими частотами.

Входная и выходная цепи включают выпрямитель и схему фильтра. и детектор напряжения ошибки для контроля стабильного напряжения.

Конечно, сейчас можно не понять. Но когда вы прочтете следующий раздел, друзья поймут больше.

Что еще?

В импульсном блоке питания есть 4 типа выпрямительных схем

Встречайте выпрямитель переменного тока в постоянный, простой, но очень полезный

Импульсный блок питания будет иметь выпрямительную схему как на входе, так и на выходе.По большей части это схема мостового выпрямителя.

Части преобразователя переменного тока в постоянный — выпрямитель. В линейной схеме эта схема важна. В схеме импульсного питания также важна выпрямительная схема.

Важным устройством является диод, который представляет собой полупроводниковое устройство, позволяющее току течь только в одном направлении. Затем через фильтр будет протекать постоянное напряжение, сглаживая ток.

Рекомендуется: Как работает схема выпрямителя

В импульсном источнике питания есть 4 типа схем выпрямителя:

1 #

Импульсный мост переменного тока к постоянному току Мостовой выпрямитель

Обычно мы сначала находим схему выпрямителя.Входная сторона импульсного источника питания, как на схеме ниже.

Вход переменного тока в импульсное напряжение постоянного тока с использованием мостового выпрямителя.

Входное напряжение переменного тока 220 В RMS или 311 В пик выпрямляется до импульсного напряжения постоянного тока 160 В пик. Затем мы переходим к принципиальной схеме радиочастотного переключателя.

2 #

Полупериодный выпрямитель из РЧ-сигнала переменного тока

В импульсном источнике питания входной сигнал постоянного тока будет переключаться на высокочастотный РЧ-сигнал. Затем понижающий трансформатор преобразует его в переменный ток низкого напряжения. Затем он также поступает на полуволновой выпрямитель в импульс постоянного тока.

3 # Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводным трансформатором

Он разработан на основе однополупериодного выпрямителя. Мы часто будем видеть такой выпрямитель. И обратите внимание, что он использует центральный отвод вторичного трансформатора. Это ссылка на землю.

4 # Двухполупериодный мостовой выпрямитель из понижающего трансформатора

Для этой схемы не нужен центральный трансформатор отвода, но нам нужно использовать еще 2 диода.

Выбор диодов для схемы выпрямителя

Есть 2 важных фактора:

Пиковое обратное напряжение — PIV

Это максимальное напряжение, которое выдерживает диод.Пока он получает обратный уклон. Или когда диод выключен.

Значение PIV используемого диода должно выдерживать как минимум 2-кратное рабочее напряжение. И при расчете безопасность тоже нужно увеличить на 50%.

При входном переменном напряжении 220 В среднеквадратичное пиковое напряжение составляет 1,414 x В среднеквадратического значения = 311 В пик.

Мы должны выбрать диод со значением:

Piv = (311Vpkx2) + (311Vpkx0,5)
= 777,5Vpiv

Forward Current-IF

Это ток, который диод пропускает через себя при получении форвард без повреждений.И что еще более важно, не забудьте добавить значение безопасности 50%.

Например, входной выпрямитель с током 1А. Мы должны выбрать диод с током пересылки:
IF = 1+ (1 × 0,5) = 1,5 А

Насколько важен фильтр

Напряжение с выпрямителя постоянное. Но мы не можем его использовать. Нам нужно сгладить его конденсатором фильтра. Его необходимо использовать как в линейном, так и в импульсном блоке питания.

Конденсатор — это устройство, используемое для хранения энергии. Он заряжает энергию внутри себя, пока не достигнет максимального значения импульсного напряжения.И отпустит при загрузке.

Эффект фильтрации импульсного сигнала постоянного тока и ответный ток нагрузки

На изображении показан эффект фильтрации конденсатора в ритме зарядки и разрядки. При подключении к нагрузке. Пульсации напряжения на конденсаторе называются пульсациями.

  • Имеется высокая пульсация. Если ток нагрузки высокий
  • Напротив, пульсации низкие. Если это низкий ток нагрузки.

А если посмотреть на блок-схему работы.В цепи фильтра на переменное напряжение 50-60 Гц. Мы будем использовать конденсатор довольно большого размера.

Обычно в диапазоне от 1000 до 2000 мкФ. Это зависит от тока нагрузки.

Читать далее: Как спроектировать нерегулируемый источник питания

Увеличение его значения (параллельно) сокращает время разрядки между импульсами, что приводит к меньшим значениям пульсаций напряжения

Норма рабочего напряжения
Важно отметить, что нам необходимо использовать номинальное рабочее напряжение конденсатора, более высокое напряжение при рабочем токе составляет примерно 50%

Высокочастотный трансформатор

Трансформатор — это устройство, которое используется для преобразования высокого напряжения на первичной обмотке в низкое напряжение на вторичной обмотке, как показано на рисунке ниже.

RF Высокочастотные трансформаторы соединяют вход и выход.

Это форма соединения трансформатора между входом и выходом. Мы используем его импульсный источник питания для переключения на высоких частотах 20 кГц и более.

Обычно трансформаторы 50 Гц, которые обычно используются, не могут использоваться на высоких частотах.

Хотя размер и форма переключающих трансформаторов отличаются от трансформаторов 50 Гц. Но в работе по-прежнему используются те же основные принципы связи магнитного поля.

Это высокое напряжение, подключенное к первичной обмотке. И он будет накапливать энергию и создавать магнитные поля, чередующиеся между фазами включения и выключения.

Какой сердечник трансформатора действует как магнитное поле, наведенное на вторичную обмотку в виде соединительного трансформатора.

Что такое импульсный ВЧ-стабилизатор

Основой импульсного источника питания является ВЧ-регулятор. Также известен как импульсный регулятор.

Импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией

Хотя существует множество различных схем переключения.Но обычно используется ШИМ-широтно-импульсная модуляция.

Это базовая блок-схема импульсного регулятора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Он поддерживает уровень напряжения с замкнутым контуром.

Для получения постоянного выходного напряжения. Эта схема обнаружит ошибку напряжения. Этот сигнал ошибки используется для управления шириной импульса схемы переключения. Это изменение ширины импульса в цепи генератора в регуляторе.

Ширина импульсов, изменяемых генератором, отправляется для управления транзистором, действующим как переключатель.В котором изменение ширины импульса вызывает соответствующее изменение среднего выходного напряжения.

Высокочастотные трансформаторы понижают напряжение в сигнал переменного тока, затем он выпрямляется и снова фильтруется.

Для конечного выхода постоянного напряжения. Результат снова будет рандомизирован. И отрегулирует последующий сигнал ошибки. До получения постоянного напряжения по мере необходимости.

Это означает, что схема будет работать в замкнутом контуре. Выходное напряжение постоянно контролируется до нормальной работы.

Теперь мы можем узнать основной принцип работы импульсного регулятора. Как это работает? Так, что дальше? Возможно, нам пора применить его.

Читайте также: Схема импульсного источника питания постоянного тока 0-45 В, 8 А

Гибридный импульсный регулятор Принцип работы

Не всегда необходимо использовать высокочастотный трансформатор для разработки импульсного источника питания.

Обычно трансформатор используется для изменения напряжения импульса с высокого напряжения на более низкое.

Если входное напряжение постоянного тока близко к фактическому рабочему напряжению. Высокочастотный трансформатор не нужен.

Мы можем использовать понижающий трансформатор напряжения 50 Гц, чтобы снизить напряжение до более низкого значения. Перед подачей его на вход выпрямительной схемы.

Посмотрите на схему гибридного импульсного регулятора, вход схемы имеет характеристики, аналогичные характеристикам линейного источника питания. Но это повышает производительность.

Гибридный импульсный стабилизатор 5 В, 500 мА

Посмотрите на реальные примеры использования гибридного импульсного регулятора 5 В, 500 мА.В схеме используется LM341 NS. Как правило, это трехконтактный стабилизатор положительного напряжения.

Не люблю читать текст. Но мне нравится изучать его работу по принципиальным и структурным схемам. Ты такой же, как я? Давайте посмотрим на схему. Мы еще разберемся.

Но это служит генератору. Частота генератора в цепи определяется соотношением сопротивлений R2 и R3.

Выходное напряжение возвращается через дроссель L1. Транзистор Q1 служит реальным переключающим устройством в схеме.

Ознакомьтесь также с этими связанными статьями:

Изучите обратный импульсный регулятор работает

Если вам нужен импульсный регулятор, который использует несколько компонентов. А вашей нагрузке требуется мощность менее 100 Вт.

Посмотрите на приведенную ниже блок-схему.

Это схема импульсного источника питания с обратным ходом.

Высокочастотный трансформатор очень важен в этой схеме. Потому что он имеет 3 основные функции:

  • Понижение напряжения.
  • Разделите входную и выходную цепи.
  • Ограничьте также сетевой ток переменного тока.

В котором первичная и вторичная обмотки намотаны в противоположных направлениях.

Когда есть импульсный сигнал управления смещением, транзистор работает. Ток будет проходить через высокочастотный трансформатор. Но выходной выпрямитель не проводит ток.

Напротив, когда транзистор выключен. Первичное напряжение меняется на противоположное. И этот результат вызывает обратный ток, протекающий через выход выпрямителя и выход фильтра.Мы можем контролировать ширину импульса через трансформатор. Для поддержания постоянного выходного напряжения.

Обратный импульсный источник питания имеет ограниченную номинальную мощность 100 Вт. Из-за тока трансформатора. И ограничение на пиковое значение тока переключения транзистора.

Для приложений мощностью более 100 Вт. Мы будем использовать другие схемы импульсного регулятора. Это будет объяснено в следующей схеме.

Отобранные вручную связанные схемы, которые вы можете прочитать:

Схема прямого импульсного регулятора мощностью от 80 до 200 Вт

Посмотрите на прямой импульсный регулятор на блок-схеме ниже.Это высокая мощность от 80 Вт до 200 Вт. Мы можем улучшить пульсацию, чтобы уменьшить ее. Потому что мы используем схему мостового выпрямителя. У которого пульсация ниже, чем у однополупериодного выпрямителя импульсного регулятора обратного хода.

Кроме того, мы можем еще больше уменьшить пульсации, подключив дроссель дросселя последовательно с конденсаторным фильтром.

Когда транзистор работает (ВКЛ). Выход схемы будет проводить ток и иметь напряжение на себе.

А при остановке транзистора (ВЫКЛ).Ток перестанет течь в выходном выпрямителе. Напряжение на дросселе изменит полярность. И поставляет в нагрузку. Вот почему он снижает пульсацию.

Имеется небольшая разница в цепи импульсного управления регулятора прямого включения.

На практике необходимо изменить синхронизацию импульсов выхода, чтобы она соответствовала разным размерам выхода. Для наилучшего результата.

Вот несколько связанных сообщений, которые вы, возможно, захотите прочитать:

Двухтактный импульсный источник питания

Если вам нужна мощность более 200 Вт.Эта схема рассчитана на мощность до 600 Вт.

Посмотрите на блок-схему. Он состоит из 2-х регуляторов с широтно-импульсной модуляцией, работающих вместе для управления переключающим транзистором с каждой стороны.

Этот тип подключения цепи позволяет пропускать больший ток.

Пульсации в двухтактной схеме переключения можно уменьшить. Обеспечивая балансировку схемы для каждой широтно-импульсной модуляции.

Обычно цепи двухтактной коммутации имеют наименьшую пульсацию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.