Импульсный источник питания принцип работы: Импульсные источники питания…

Содержание

Импульсные источники питания… — Delta

Группа продуктов

Язык:
БългарскиČeskýDanskDeutschEestiΕλληνικάEnglishEspañolFrançaisItalianoLatviešu Lietuvių MagyarNederlandsNorskPolskiPortuguêsPусскийRomânăSlovenskiSlovenskýSuomiSvenska

Валюта:
1 AUD — 2.7754 PLN1 BGN — 2.2436 PLN1 CAD — 3.0572 PLN1 CHF — 4.1810 PLN1 CZK — 0.1798 PLN1 DKK — 0.5897 PLN1 EUR — 4.3881 PLN1 GBP — 5.2606 PLN100 HUF — 1.2270 PLN1 NOK — 0.4431 PLN1 PLN — 1.0000 PLN1 SEK — 0.4258 PLN1 USD — 3.9002 PLN

Бюллетень E-mail

TopТехнический словарьИмпульсные источники питания „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Импульсные источники питания практически вытеснили с рынка традиционные линейные источники питания и в настоящее время являются самой популярной и самой большой группой источников питания. Их преимуществом, по сравнению с линейными источниками питания, являются небольшие размеры, малый вес, высокая эффективность и производительность, а также хорошая цена. Минусом является сложность конструкции, а также более высокий уровень шума, генерируемого источником питания и повышенный уровень шума на выходе.

Наиболее распространенные типы импульсных источников питания:

A — рабочий стол

B — модульные

C — Индикатор

D — вставной

E — на рейке DIN

Основной принцип действия импульсного источника питания

В импульсных источниках питания используются широтно-импульсные модуляции PWM (Pulse Width Modulation), то-есть выходное напряжение источника питания регулируется путем изменения коэффициента заполнения при постоянной, неизменной частоте.

На приведенном ниже рисунке показан принцип действия PWM.

U — напряжение

t — время

U_in — входное напряжение

U_out — исходное напряжение

T — период ( количество периодов в секунду — это частота, выраженная в Гц, КГц или МГц )

t1 — длительность импульса (высокое состояние)

t2 — нет импульса

Укорочение длительности импульса (t1 )приводит к уменьшению среднего значения выходного напряжения (U_out) и наоборот: расширение длительности импульса (t1) приводит к увеличению среднего выходного напряжения (U_out). Это можно видеть на графиках выше:

слева — небольшой коэффициент заполнения — ниже значение выходного напряжения U_out,

правой — большой коэффициент заполнения — выше значение выходного напряжения U_out.

Среднее значение выходного напряжения можно рассчитать по следующей формуле:

Диаграмма и описание, показывающие принцип действия источника питания:

1 — входное переменное напряжение

2 — предохранитель

3 — входной фильтр

4 — выпрямитель в виде моста Graetza

5 — транзистор манипуляций

6 — контролер PWM

7 — оптоизолятор (гальваническая изоляция)

8 — импульсный трансформатор

9 — выпрямитель

10 — выходной фильтр

11 — выходное постоянное напряжение

Переменное напряжение сети, например, 230V(1) проходит через входной фильтр с элементами LC (3). Это очень важный элемент, который защищает энергосеть от сбоев, возникающих в подаче питания и защищает источник питания от помех, поступающих из энергосистемы. Напряжение переменного тока выпрямляется с помощью мостового выпрямителя (4) и после выпрямления напряжение постоянного тока достигает трансформатора (8), корорый манипулируется транзистором (5) иногда называемого переключатель. Транзистор включает и выключает ток квадратной волны с определенной частотой (возможный диапазон от 20 кГц до нескольких сотен кГц или даже МГц) и использованием широтно-импульсной модуляции PWM. Транзистор управляется схемой обратной связи (6,7), которая состоит из оптрона и контролера (драйвера) PWM. Система проверяет, каким является выходное напряжение и, в зависимости от того, повышается ли, уменьшается, изменяет длительность импульса (заливки), управляет транзистором и регулирует таким образом, чтобы на выходе всегда было постоянное напряжение. Эта система, проверяя напряжение на выходе, работает на высокой скорости, что позволянет сохранять постоянное выходное напряжение и в меру, если растет или уменьшается, немедленно исправляет изменения, чтобы удерживать его на постоянном уровне. Прямоугольное напряжение на выходе трансформатора (8) выпрямляется (9), а затем проходит через выходной фильтр (10), который должен «заблокировать» высшие гармоники и искажения, порожденные работой инвертора. На выходе (11) импульсного источника питания получаем стабилизированное постоянное напряжение.

Некоторые предложения, на какие параметры следует обратить внимание при выборе импульсного источника питания.

Входное напряжение (Input Voltage)

В Польше и Европейском Союзе напряжение в энергосети составляет 230 В переменного тока (исключением является Великобритания — 240 В переменного тока). Стандарты позволяют отклонение 10%, то есть напряжение питания может находиться в диапазоне от 207 В до 253 В переменного тока. Так что стоит выбрать источник птания с широким диапазоном входного напряжения, например, 100 — 264 В переменного тока.

Пусковой ток (Max Inrush Current)

После включения источника питания, появляется большой импульс тока, который может достигать высоких значений в зависимости от мощности источника питания, порядка несколько десятков амперов, продолжительностью до 1 периода или при частоте 50 Гц переменного тока до 20мс. Это явление вызвано зарядкой входных конденсаторов. Это может быть проблемой, например, при одновременном включении нескольких источников питания или использовании источника питания с более высокой мощностью. Большой пусковой ток может вызвать отключение защиты в энергосети ( предохранителей, силовых выключателей и т д.) Выходом из этой ситуации является замена предохранителей от перегрузки по току на тип С или D.

Эффективность (Efficiency)

Это отношение постоянного выходного тока ( отданного источником питания) к входной мощности переменного тока (побранной из сети), выраженное в процентах.

Эффективность обозначается буквой греческого алфавита «эта» η. В каждом устройстве, преобразовывающим энергию, часть потребляемой мощности идет на потери и именно эффективность позволяет оценить потери мощеости. На этот параметр следует обратить внимание, так как чем выше эффективность, тем меньше потери энергии, в результате чего внутри источника питания будет ниже температура, а это приводит к повышению надежности и увеличению срока службы устройства. В настоящее время производимые импульсные источники достигают даже > 90% ККД (силовые трансформаторы/линии имеют низкую эффективность использования энергии, не превышающую 50%).

Формула для эффективности:

η – эффективность, выраженная в процентах

P_out – выходная мощность

P_in — входная мощность

Пример 1.
Имеем источник питания с выходной мощностью 100 W, который берет из энергосети 117,6 W. Вычислим его эффективность.

Наиболее часто в данных источника питания подается выходная мощность и КПД. Производители в спецификации не указывают сколько берет мощности источнитк питания. Можем это легко вычислить, подставляя значения из переделанного рисунка.

Пример 2.
Имеем источник питания с выходной мощностью 150 W и КПД 86%. Вычислим, какая мощность черпается из энергосети

Также легко можем вычислить, сколько энергии теряется на тепло в этом блоке питания (P_d – moc strat), используя простую формулу (вычесть от побранной мощности отданную мощность).

В этом случае 24,4 W теряется на тепло, конечно, при полной загрузке. Те 24,4 W повышают температуру внутри корпуса и нагревают внутренние компоненты.

MTBF — среднее время между неисправностями (Mean Time Between Failure)

Выражается в часах и это информация о надежности устройства.

Очень часто этот параметр неправильно интерпретирован. Например, MTBF источника питания выносит 700 000 часов или почти 80 лет. Это не означает, что блок питания будет безупречно работать все это время.

Пути и методы расчета MTBF были введены американскими военными в 1965г. вместе с публикацией модели MIL-HDBK-217. Она включает в себя частоту аварий для различных электронных компонентов ( конденсаторов, резисторов, транзисторов). В этой модели опубликованы методы расчета аварийности. Это должно было служить стандартизации оценки надежности электронных устройств и военной техники.

Кроме модели MIL-HDBK-217, используются также другие способы расчетов параметра MTBF, которые могут встретиться в технической спецификации электронных устройств. Все модели имеют различные алгоритмы для расчета надежности. Примерные методы: HRD5, Telcordia, RBD, модель Маркова, FVEA/FMECA, дерево повреждений, HALT.

Зная время MTBF, можем вычислить вероятность повреждения устройства до того, когда истечет время наработки на отказ. Это очень полезная информация, которая позволит оценить отказ системы. Как правило, все просто: чем выше MTBF, тем более надежное устройство.

Помните, что всегда MTBF- это время, по истечении которого, надежность устройства снижается до 36,8%.

Почему? Для расчета необходимо ввести формулу для надежности.

R(T) – надежность, выраженная в процентах в отношении до времени работы устройства

T – продолжительность работы устройства

MTBF – среднее врем между неисправностями

2,718 – число Эйлера (присутствует в формулах как буква «е»)

Дословно: 2,178 поднятые в отрицательной степени времени работы деленное на MTBF.

Рассчитываем неисправность устройства, MTBF которого віносит 50 000 часов по времени 50 000 часов.

То-есть устройство при MTBF = 50 000 часов имеет надежность 36,8% по времени 50 000 часов, иначе говоря по времени 50 000 часов вполне вероятно, что на 100 устройств — 37 будет работать эффективно, а 63 будут податливы неисправностям.

Посмотрим вероятность ошибки в течение 3-х лет для, например, двух источников питания с разными MTBF.

1. МTBF = 50 000 часов, 3 года = 3 года х 24 часа х365 дней = 26280 часов и подставляем в формулу:

Этот результат показывает вероятность, что после трех лет 59,1% источников питания будет работать без сбоев (например, на 100 устройств 59 будет исправных, а 41 будут неисправными).

2. MTBF = 700 000 часов, 3 года = 3 года х 24 часа х 365 дней = 26280 часов и подставляем в формулу.

Этот случай показывает вероятность того, что после 3-х лет, 97,1 источник питания будет работать без сбоев (например, на 100 устройств 97 будет эффективных, а 3 будут неисправные).

Наиболее часто параметр MTBF определяется изготовителем для работы устройства при температуре окружающей среды 25. При работе с более высокими температурами правило таково, что повышение температуры на 10 С приводит к двукратному уменьшению значения MTBF. Почему одни устройства имеют высокий, а другие низкий MTBF? Различия являются результатом качества используемых элементов и сложности устройства. Не все производители указывают этот параметр в технических данных.

Выходное напряжение (Output Voltage)

Выходное напряжение — это такое напряжение, которое должно быть стабилизировано при смене нагрузки питания от 0 до 100%. Надо осознавать, что во всех источниках питания на выходное напряжение накладываются шумы, пульсации и помехи. Они могут иметь амплитуду до нескольких сотен mVp-p. Иногда слишком большое значение пульсации выходного напряжения может стать причиной проблем, если питаемое устройство чувствительно к пульсации, напаример, помеха в изображении камеры в приложениях ССTV или частые перегрузки любого электронного устройства.

Ниже представлен снимок осциллограммы пульсации напряжения импульсного источника питания 12 V.

Динамический ответ на резкие изменения нагрузки (Dynamic Response)

Каждый источник питания должен обеспечивать загрузку выходного напряжения постоянной величины, которое не изменяется при изменении тока нагрузки, однако иногда бывают резкие изменения нагрузки (например, включение/выключение ИК-подсветки в камере CCTV или включение/выключение дополнительной нагрузки). При изменении нагрузки от 0 до 100% (или наоборот) появляются нарушения и колебания выходного напряжения, которое может повлиять на работу других устройств. подключенных к источнику питания.

На рисунке ниже видны изменения выходного напряжения по отношению к изменению нагрузки от 0 до 100% высокого качества источника питания, взятые из технической документации.

V — исходное напряжение

L — нагрузка

Большинство импульсных источников питания оснащены цепями защиты от коротких замыканий и перегрузок. Двигатели, лампочки, грузоподъемность и т.д., то-есть нагрузки нелинейной характеристики, могут нуждаться в большом импульсе тока при старте, что значительно превышает максимальный номинальный ток источника питания. Это может вызвать отключениеи не допустить активацию питания. На практике может оказаться, что источник питания, например, 12В 50Вт не сможет работать после переключения нагрузки 12В 30Вт (например, лампочка, двигатель).

Разработчики источников питания используют различные методы защиты от коротких замыканий и перегрузок. Защита должна обезопасить источник питания и нагрузку. Ниже рассматриваются наиболее распространенные.

Режим Hiccup (Hiccup mode)

Эта защита используется очень часто ( с англ. hiccup – икота), преимущество которой — низкие потери мощности в источниках питания в случае перегрузки или короткого замыкания и автоматический возврат к нормальному режиму работы после исчезновения причины короткого замыкания или перегрузки.

На графике ниже показан принцип режима работы hiccup.

U_out — исходное напряжение

I_out — выходной ток

t — время

A – короткое замыкание ( перегрузка)

B – установление причины короткого замыкания

Во время A возникает перегрузка или короткое замыкание. Наступает отключение источника питания. На выходе появляется импульс тока очень короткой продолжительности (напр.100мс) и значения до 150% максимального тока. Блок питания высылает этот импульс каждые несколько секунд до разрешения причины перегрузки или короткого замвкания (B), затем переходит к нормальному режиму работы. Порог срабатываяния защиты (исключительно источника питания) устанавливается в большинстве случаев на 110-150% от номинального тока (I_out). Чаще всего этот режим интегрирован с тепловой защитой. Если нагрузка потребляет тока больше, чем номинальный, но меньше порога безопасности, то через короткий промежуток включится тепловая защита, отключая источник питания и питание переходит в режим hiccup aдо момента разрешения причины перегрузки.

Другие виды обеспечения, используемые против чрезмерного потребления мощности, показано на графике ниже (три кривые А, В и С).

U_out — исходное напряжение

I_out — выходной ток

Кривая А — ограничение тока (Foldback Current Limiting)
Этот вид защиты применяется тпкже к линии электропитания. После превышения максимального тока (снижение нагрузки сопротивления), с последующим ее снижением (уменьшением). Иначе говоря, если сопротивление нагрузки уменьшается, наступает снижение тока. Преимуществом этого решения являются низкие потери мощности в источниках питания в случае перегрузки или короткого замыкания. Однако при этом решении блок питания не запускается при загрузке большим пусковым током (например, большая емкость).

Кривая В — стабилизирующая тока (Constant Current Limiting)
После превышения максимального тока (уменьшение сопротивления нагрузки), источник питания поддерживает постоянный выходной ток, независимо от величины перегрузки, в то время, когда уменьшается выходное напряжение. Часто используется вторая защита, которая выключает источник питания, когда напряжение спадет до нескольких вольт. Большим недостатком этого метода являются большие потери мощности в самом источнике питания и высокий ток, протекающий через нагрузку, что может привести к повреждениям. Этот тип защиты позволяет начать электропитание при загрузках нелинейного характера.

Кривая С — предел мощности (Over Power Limiting)
После превышения максимального тока (уменьшению сопротиволения нагрузки), выходная мощность источника питания остается постоянной. Вместе с ростом напряжения, напряжение и ток на выходе падают в соответствии с характеристикой С. Этот тип защиты позволяет начать электропитание при нагрузках нелинейной характеристики.

Температура работы (Working Temperature, Surrounding Air Temperature)

В зависимости от КПД источника питания, часть энергии, подводимой к источнику питания, теряется на тепло, температура внутри блока питания увеличивается по отношению к температуре наружного воздуха. Высококачественные источники питания, работая при температуре 25° С, могут нагреваться до 50 -70° С. При температуре окружающей среды 50° С, могут нагреваться до 75 — 95° С.

Очень важно понимать, что рабочая температура непосредственно влияет на срок службы и надежность устройства, импульсные источники питания имеют сложную конструкцию и состоят из большого числа электронных компонентов, которые могут быть расположены близко друг друга внутри корпуса блока. Слишком высокая внутренняя температура може привести к повреждениям источника питания и значительно сократить срок его службы. Обратите вниманеие, что существует сильная зависимость выходной мощности от температуры. Нужно обязательно избегать работы блока питания при температурах выше 50°С, несмотря на то, что производитель часто подает рабочую температуру выше этого значения. В этом случае следует внимательно ознакомиться с технической документацией.

Например, блок питания 150 W 12V — данная рабочая температура становит от -10°С до 70°С. Тем не менее, в документации производитель разместил график нагрузки в процентном выражении в зависимости от рабочей температуры.

L — Процент нагрузки

T — Рабочая температура

Как видно на рисунке, источник питания может обеспечить полную мощность нагрузки, но только до 50°С. Во время работы при температуре 70°С устройство может заряжаться на 50%, что составляет половину максимального тока.

Компонентами, наиболее чуствительными к повышению температуры, являются электролитические конденсаторы. Практически каждый блок питания включает в себя несолько штук. Производители конденсаторов подают важный параметр, то-есть срок службы при максимальной рабочей температуре. Снижение температуры на 10С приводит к двукратному увеличению срока службы электролитического конденсатора.Например, стандартные электролитические конденсаторы имеют срок службы 1 000 часов при температуре 105°С.

или:

105С- 1 000 часов (41день)

95°C — 2 000 часов (83 дня)

85°С — 4 000 часов (166 дня)

75°C — 8 000 часов (333 дней)

65°C — 16 000(часов) (1,8 года)

55°C — 32 000часов (3,6 года)

45°C — 64 000часов (7,3 лет)

Эти времена не означают конец жизни конденсатора, только время, после которого наступит значительное ухудшение его параметров (емкости, последовательного сопротивления и т.д.), которые, как правило, приводят к аварии.

Как видно с примера выше, чем ниже температура = тем более длительный срок службы. Имеются конденсаторысо сроком службы в несколько раз больше, однако это приводит и к более высокой цене. Это от производителя зависит, какие будут применять компоненты. В дешевых источниках питания не используются дорогостоящие детали с большей продолжительностью жизни.


Нетто:	0.00	EUR
Брутто:	0.00	EUR
Вес:	0.00	kg

Особенно рекомендуем

ТЕЛЕСКОПИЧЕСКОЕ ПОТОЛОЧНОЕ КРЕПЛЕНИЕ КАМЕРЫ BR-100X200

Нетто: 13.02 EUR

БЛОК ПИТАНИЯ 12V/2A/5.5*P100

Нетто: 476.74 EUR

AHD, HD-CVI, HD-TVI, PAL-КАМЕРА APTI-H50PV2-28W 2Mpx / 5Mpx 2.8 mm

Нетто: 22.89 EUR

КОММУТАТОР POE APTI-POE1602G-240W 16-ПОРТОВЫЙ

Нетто: 145.48 EUR

ВИДЕОТРАНСФОРМАТОР TR-1D*P2

Нетто: 2. 32 EUR

AHD, HD-CVI, HD-TVI, PAL-КАМЕРА APTI-H50V2-36 2Mpx / 5Mpx 3.6 mm

Нетто: 26.42 EUR

ПЕРЕДАТЧИК UTP / COAXIAL EOC-110KIT КОМПЛЕКТ 2 ШТ.

Нетто: 48.31 EUR

СКРЫТАЯ КАМЕРА AHD, HD-CVI, HD-TVI, CVBS APTI-H50YK-37 2Mpx / 5Mpx 3.7 mm APTI

Нетто: 38.62 EUR

ВИТАЯ ПАРА UTP/K5/305M/PE/MTC METACON

Нетто: 0.39 EUR

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.

Импульсные источники питания — Детский технопарк «Кванториум»

Как известно, с электростанции, в целях минимизации потерь,электричество передается под очень большим напряжением. Обычно это десятки-сотни киловольт. Такое напряжение попадает в трансформаторные пункты, где понижается до привычных нам 220 вольт. В нашей розетке среднее напряжение колеблется около 220-230 вольт с частотой 50 герц.

Однако для работы большинства бытовых электроприборов необходим постоянный ток с гораздо меньшим напряжением, порядка 3, 5 или же 12 вольт. Для этой цели служат вторичные источники питания, которые не генерируют энергию, а преобразуют полученную из сети. Такие источники питания делятся на два типа: линейные и импульсные.

Линейные источники питания просты по своей сути. Поступающее из сети переменное напряжение попадает на линейный трансформатор, где понижается до необходимого значения, а затем выпрямляется благодаря диодной сборке и конденсаторам высокой емкости. Как видно из рисунка, такой трансформатор имеет внушительные размеры, что делает итоговый прибор не только большим, но и тяжелым. Как же тогда делают такие удобные и компактные приборы, которые нас окружают?

Ответ прост – в современных электроприборах используются источники питания импульсного типа. Их строение уже гораздо сложнее, чем у линейных, однако это позволяет значительно уменьшить размеры прибора, увеличив вместе с тем его мощность. Принцип действия у импульсных блоков питания следующий (рис. 2):

1. Сначала напряжение поступает на фильтрующую сборку из конденсаторов и дросселей.
2. Далее идет схема выпрямителя – диодный мост.
3. После этого уже постоянное напряжение попадает на схему инвертора.
4. Инвертор, управляемый ШИМ-контроллером, представляет собой сборку транзисторов, которые, открываясь и закрываясь в нужный момент, формируют импульсное напряжение
5. Это напряжение попадает на импульсный трансформатор. Такой тип трансформаторов куда меньше по габаритам за счет особенностей работы: он работает в режиме переходных процессов, его сердечник всегда остается в состоянии намагничивания. Импульсные трансформаторы позволяют изменить уровень и полярность формируемого импульса напряжения или тока, согласовать сопротивление генератора импульсов с сопротивлением нагрузки, отделить потенциалы источника и приёмника импульсов, получить на нескольких раздельных нагрузках импульсы от одного генератора, создать обратную связь в контурах схемы импульсного устройства.
6.На выходе трансформатора ставится второй выпрямитель, обычно используют быстродействующие сборки диодов Шоттки.

В основе работы импульсных источников питания лежит ШИМ контроллер. Именно он задает длительность импульса, подаваемого на затвор транзистора. А от длительности импульсов зависит и величина выходного напряжения.

Подробнее о ШИМ:

В итоге можно сказать, что с появлением импульсных источников питания наша жизнь стала куда проще. Ведь теперь электроприборы могут быть компактными и удобными в использовании.

🥇 Трансформаторные и импульсные источники питания.Достоинства и недостатки — «Ви-Конт»

Трансформаторные и импульсные источники питания.Достоинства и недостатки

17.07.2010

Трансформаторные БП

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков, защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока

Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Габариты трансформатора

Существует формула, несложно выводимая из базовых законов электротехники (и даже уравнений Максвелла):
( 1 / n ) ~ f * S * B
где n — число витков на 1 вольт (в левой части формулы стоит ЭДС одного витка, которая есть по уравнению Максвелла производная от магнитного потока, поток есть нечто в виде sin ( f * t ), в производной f выносится за скобку), f — частота переменного напряжения, S — площадь сечения магнитопровода, B — индукция магнитного поля в нем. 2.
Увеличение S означает повышение габаритов и веса трансформатора. Если же идти по пути снижения S, то это означает повышение n, что в трансформаторе небольшого размера означает снижение сечения провода (иначе обмотка не поместится на сердечнике).
Увеличение n и снижение сечения означает сильное увеличение активного сопротивления обмотки. В маломощных трансформаторах, где ток через обмотку невелик, этим можно пренебречь, но с повышением мощности ток через обмотку растет и, при высоком сопротивлении обмотки, рассеивает на ней значительную тепловую мощность, что недопустимо.
Перечисленные выше соображения приводят к тому, что на частоте 50 Гц трансформатор большой (от десятков ватт) мощности может быть успешно реализован только как устройство большого габарита и веса (по пути повышения S и сечения провода со снижением n).
Потому в современных БП идут по другому пути, а именно по пути повышения f, т.е. переходу на импульсные блоки питания. Таковые блоки питания в разы легче (причем основная часть веса приходится на экранирующую клетку) и значительно меньше габаритами, чем классические. Кроме того, они не требовательны к входному напряжению и частоте.
Достоинства трансформаторных БП
Простота конструкции
Надёжность
Доступность элементной базы
Отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных, создающих помехи за счет гармонических составляющих)
Недостатки трансформаторных БП
Большой вес и габариты, особенно при большой мощности
Металлоёмкость
Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.
Импульсные БП
Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.
В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП
Достоинства импульсных БП

1.1. Структурные схемы импульсных источников питания

Что такое SMPS | Принцип работы SMPS | Преимущества SMPS

Цепь питания играет важную роль в каждой электрической и электронной цепи для подачи питания от цепи совы к компьютеру и различным машинам. Для этого типа нагрузки требуются разные формы мощности в разных диапазонах и с разными характеристиками. Поэтому мощность преобразуется в желаемую форму с помощью различных типов преобразователей мощности.

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 ИИП и каков его принцип работы, и многое другое о нем.

Читайте также: Преобразование звезды в треугольник и преобразование из треугольника в звезду

Что такое SMPS (импульсный источник питания)?

Полное название SMPS: Импульсный блок питания. SMPS определяется простым языком, когда потребность в электричестве возникает в виде выключателя. В котором электрическая энергия преобразуется из одной формы в другую с существенными свойствами, называемыми SMPS. Эта мощность используется для получения регулируемого входного постоянного напряжения от постоянного тока на выходе или неконтролируемого переменного тока для питания. SMPS так же сложна, как и любая другая система электропитания. Это источник питания, используемый для загрузки.

SMPS является важным устройством для широкого спектра электрических и электронных устройств. Что обеспечивает его источником потребления энергии, специально разработанным для электронных проектов.

Читайте также: Источник бесперебойного питания

Топологии SMPS ( Импульсный источник питания) –

Топология SMPS подразделяется на различные типы:

Старший№	Топологии SMPS
#1.	Преобразователь переменного тока в постоянный
#2.	Преобразователь постоянного тока в постоянный
#3.	Обратноходовой преобразователь
#4.	Передний преобразователь

Принцип работы SMPS ( Импульсный источник питания):

Принцип работы импульсных источников питания следующий:

№1.Преобразователь переменного тока в постоянный SMPS Рабочий:

В этом типе SMPS на вход подается переменный ток, а на выходе — постоянный ток. Выпрямители и фильтры используются для преобразования этой мощности переменного тока в постоянный. Это неконтролируемое постоянное напряжение подается на соответствующие схемы коррекции коэффициента мощности. Это связано с тем, что внутри выпрямителя возникает импульс слабого тока в районе пика напряжения.

Сюда входит высокочастотная энергия, которая влияет на снижение коэффициента мощности. Это связано с преобразованием энергии, но мы использовали вход переменного тока вместо источника постоянного тока.Таким образом, комбинация выпрямителя и фильтра на этой блок-схеме используется для преобразования переменного тока в постоянный, а операция переключения выполняется с помощью муфельного усилителя мощности.

Транзисторы

MOSFET имеют низкое сопротивление и способны выдерживать большие токи. Частота переключения выбрана таким образом, чтобы нормальные люди (выше 20 кГц) были низкими, а работа переключателя управляется с помощью генератора PWM.

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

Читайте также: 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 тока высокого напряжения непосредственно от источника питания постоянного тока.Этот источник питания постоянного тока высокого напряжения затем снижается до 15–5 кГц. Затем он подается на блок понижающего трансформатора 50 Гц.

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

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

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

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

Читайте также: Что такое регулятор напряжения | Типы регуляторов напряжения | Работа регулятора напряжения

#3.Обратноходовой преобразователь типа SMPS Рабочий:

Любой SMPS с выходной мощностью менее 100 Вт известен как SMPS с обратноходовым 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 помощью MOSFET; Частота переключения около 100 кГц. Изоляция напряжения достигается с помощью трансформатора.Работой переключателя можно управлять с помощью ШИМ при работе с практичным обратноходовым преобразователем.

Трансформатор обратного хода имеет особые характеристики по сравнению с обычным трансформатором. Обратноходовой трансформатор состоит из двух обмоток, которые действуют как магнитно связанные катушки индуктивности.

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

Читайте также : Что такое концевой выключатель | Принцип работы концевого выключателя | Применение концевого выключателя

#4. Тип прямого преобразователя SMPS Рабочий:

Конструкция этого типа SMPS почти такая же, как и обратного преобразователя типа SMS. В таких ИИП переключатель подключается к выводу 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 и также используются для масштабирования и изоляции трансформаторов.

Кроме диода D1″ и конденсатора «С» на конце выхода подключены катушка индуктивности L и диод D. Если переключатель «S» срабатывает, то первичная обмотка входного трансформатора выключается. Поэтому на вторичной обмотке трансформатора создается фиксированное напряжение. Таким образом, диод D 1 становится смещенным в прямом направлении, и напряжение, масштабируемое нагрузкой, перемещающей LPF, превышает

При включении переключателя S ток через обмотку достигает нуля.Ток не может быть изменен в ближайшее время путем обновления фильтров и нагрузок, и этот ток предлагается полосой диодом D2 вдоль побережья. При использовании катушки индуктивности требуемое напряжение и электромагнитная сила по отношению к диоду D2 становятся необходимыми для влияния на стабильность тока.

Даже если ток падает по отношению к выходному напряжению, почти постоянное выходное напряжение может поддерживаться наличием большого емкостного фильтра. Он регулярно используется для различных коммутационных приложений с диапазоном мощности от 100 Вт до 200 Вт.

Преимущества SMP:

Преимущества SMPS:

Старший №	Преимущества Smps
#1.	Высокая эффективность
#2.	Компактный
#3.	Затраты
#4.	Гибкая технология

№1. Высокая эффективность:

Основным преимуществом SMPS является то, 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 компактными за счет более высокого КПД и меньшего уровня рассеивания тепла.

#3. Стоимость:

Switch-mode — это значение точки включения питания. Эффективность Высокий КПД и характер переключения конструкции означают, что потери мощности в режиме ожидания часто ниже, чем у трансформаторов, что снижает затраты.

#4. Гибкая технология:

Функция SMPS может использоваться для обеспечения высокоэффективного преобразования напряжения в повышающие или повышающие приложения или в понижающие «понижающие» приложения.

Применение SMPS:

Применение SMPS выглядит следующим образом:

Чаще всего 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. Какова основная функция SMPS?

SMPS представляет собой импульсный источник питания. Тип устройства высокочастотного преобразования энергии и сокращение от источника питания. Его функция заключается в преобразовании требуемого уровня напряжения или тока с помощью различных форм архитектуры.

2. Как работает импульсный блок питания?

SMPS работает путем включения и выключения основного питания с высокой скоростью для снижения напряжения. В таком случае снижение напряжения зависит от соотношения времени и времени отключения. 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. Сегодняшние современные компьютеры имеют SMPS, который получает улучшенную входную мощность переменного тока от платы в доме, делая коррекцию коэффициента мощности, а затем преобразовывая выходной сигнал в выход постоянного тока с одним или более низким напряжением.

4. Что такое приложения SMPS?

Применение SMPS выглядит следующим образом:

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

Нравится этот пост? Поделитесь этим с вашими друзьями!

Предлагаемое чтение —

Принцип работы и конструкция импульсного источника питания

Работа импульсного источника питания сильно отличается от работы линейного источника питания.Несмотря на сложность, более высокую стоимость материалов и большее количество деталей, импульсный источник питания по-прежнему остается предпочтительной топологией на рынке в настоящее время. Основная причина — более высокий КПД и более высокая удельная мощность. Более высокая эффективность просто означает, что только небольшая часть входной мощности тратится впустую, в то время как более высокая плотность мощности означает, что более высокая мощность возможна при меньшем форм-факторе или размере.

Обзор линейного источника питания постоянного и переменного тока

Трансформатор 50/60 Гц

Это может быть шаг вверх или вниз в зависимости от использования.Обычно это понижающая версия, поскольку обычное требуемое выходное напряжение ниже, чем входной уровень.

Выпрямитель

Преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный. Как показано на схеме, наиболее часто используемый выпрямитель представляет собой двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Фильтр

Простой фильтр представляет собой электролитический конденсатор. Это повысит среднеквадратичное значение или уровень постоянного тока выпрямленного сигнала.

Регулятор

Это позволит поддерживать чистый постоянный ток на выходе, что не вызовет проблем с чувствительными нагрузками или системой.

Общие проблемы

Эффективность и размер являются общей проблемой, связанной с линейным блоком питания переменного/постоянного тока. Он также ограничен только для маломощных приложений. Для работы с большой мощностью трансформатор 50/60 Гц будет очень большим и дорогим. Отфильтрованное вторичное выпрямленное напряжение всегда должно быть значительно выше выходного, чтобы регулятор мог работать правильно. По этой причине избыточное напряжение будет поглощаться регулятором, что приведет к огромным потерям мощности при умножении на ток нагрузки.Вот почему эффективность очень низкая. Линейный источник питания AC-DC также не может обеспечить широкий входной диапазон. Например, трансформатор рассчитан на переменное напряжение от 220 В до 20 В переменного тока, вы больше не можете использовать его для 110 В переменного тока, так как вы больше не можете получить 20 В переменного тока на вторичной обмотке.

Обзор линейного источника питания постоянного тока

Вышеуказанная схема представляет собой базовый линейный источник питания постоянного тока постоянного тока. Это просто и очень просто, поскольку компонентов всего несколько. Однако его основным недостатком по-прежнему является эффективность, ограниченная только приложениями с низким энергопотреблением.Чтобы линейный регулятор регулировался должным образом, его входное напряжение должно быть выше его выходного напряжения с запасом. Разница во входном и выходном напряжении, кстати, называется падением напряжения. В настоящее время на рынке уже есть линейные регуляторы с низким падением напряжения. Низкое падение напряжения по-прежнему приведет к огромным потерям мощности при работе с более высоким током.

Блок-схема импульсного блока питания постоянного и переменного тока

Ниже приведена блок-схема двухкаскадного импульсного источника питания переменного/постоянного тока.Первый блок представляет собой мостовой выпрямитель, предназначенный для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. В отличие от линейного источника питания переменного/постоянного тока, этот мостовой выпрямитель требует высокого номинального напряжения, так как он непосредственно измеряет входное напряжение. Импульсный преобразователь первой ступени в большинстве случаев представляет собой повышающий преобразователь, который работает как схема коррекции коэффициента мощности или PFC. Повышающий преобразователь имеет выход выше, чем его вход. Коррекция коэффициента мощности необходима для коммутации силовых цепей, чтобы скорректировать форму тока и минимизировать гармоники.Повышающий преобразователь является лучшей схемой активной коррекции коэффициента мощности из-за его способности потреблять ток со входа в обоих состояниях Q1 (включено или выключено). Импульсный преобразователь второй ступени обычно называется секцией постоянного тока производителями или разработчиками источников питания. Для DC-DC доступно множество топологий, таких как резонансная (LLC, последовательная, параллельная), прямая (ITTF, TTF, один транзистор), мостовая и полная мостовая, и это лишь некоторые из них. На приведенной ниже схеме секция DC-DC представляет собой резонансный преобразователь LLC.Последний блок — это выходной выпрямитель и фильтр. Для приложений с высокой мощностью вместо диодов используются NMOS.

Приведенная ниже схема обычно используется для маломощных автономных адаптеров и зарядных устройств. В секции DC-DC используется только один импульсный преобразователь, который представляет собой обратноходовой преобразователь. Преобразователь обратного хода эффективен до номинальной мощности 100 Вт. В некоторых случаях Flyback используется до 200 Вт, если выполняются требования, особенно к эффективности. Ступени PFC больше нет, поскольку типичная или номинальная мощность этой конфигурации составляет около 80–120 Вт, а требования к коэффициенту мощности для этого диапазона мощности не такие строгие.Обратноходовой преобразователь очень популярен для маломощных автономных импульсных источников питания из-за его простоты и меньшего количества деталей.

Импульсный источник питания постоянного тока

Существует несколько топологий, которые можно использовать для создания импульсного источника питания постоянного тока. Ниже схема представляет собой понижающий преобразователь постоянного тока или широко известный как понижающий преобразователь. Понижающий преобразователь имеет выходное напряжение, которое ниже его входного.

Другим решением для источника питания с переключением постоянного тока является повышающий преобразователь, схема которого приведена ниже.Повышающий преобразователь имеет выход выше, чем его вход.

Комбинация понижающего и повышающего преобразователя также возможна в повышающе-понижающей топологии. Ниже приведено инвертирующее повышающе-понижающее решение. Его можно настроить на работу, когда его вход ниже, чем выход, или наоборот. Неинвертирующий повышающе-понижающий также является вариантом, но он имеет несколько компонентов, чем инвертирующий повышающе-понижающий.

Как работают импульсные источники питания

Выше показаны некоторые разновидности импульсных источников питания как в формах AC-DC, так и DC-DC. Что именно делает SMPS? Чем он отличается от обычного линейного источника питания?

Импульсный источник питания — это тип источника питания, в котором в качестве силовой части используется импульсный преобразователь. Это может быть несколько переключающих преобразователей в каскадной или параллельной работе или один. Импульсные преобразователи являются сердцем импульсных источников питания.

Импульсный преобразователь работает по принципу непрерывного включения и выключения полупроводникового переключателя. Включение означает работу полупроводникового переключателя, такого как MOSFET, в режиме насыщения, а выключение означает работу MOSFET в режиме отсечки.При насыщении не будет падения напряжения (в идеале) на канале MOSFET, поэтому потери мощности не будет. С другой стороны, при отключении ток не течет, поэтому потери мощности нет. Благодаря этому принципу достигается очень высокая эффективность.

В действительности потери мощности небольшие из-за сопротивления МОП-транзистора в открытом состоянии и задержки выключения, которая вызывает небольшое пересечение между напряжением и током.

Привод полупроводникового переключателя в режим насыщения и отсечки возможен с помощью ШИМ-контроллера.ШИМ-контроллер может быть аналоговой специализированной ИС (ASIC) или цифровым решением, таким как MCU, DSC и DSP. Контроллер также является тем, кто устанавливает регулирование и другие защиты цепи.

Как получить вывод Регламент

Чтобы обсудить это хорошо, давайте рассмотрим понижающий преобразователь, как показано ниже. Принцип одинаков для всех импульсных преобразователей.

Возможно, вы уже слышали о системе открытого и закрытого контура.Система с разомкнутым контуром не имеет возможности регулировки в зависимости от выходного поведения, а система с замкнутым контуром имеет. Например, в приведенной выше схеме (понижающий преобразователь) регулирование без обратной связи возможно за счет обеспечения фиксированного входного напряжения, фиксированной нагрузки и фиксированного рабочего цикла. Для понижающего преобразователя идеальное соотношение входного и выходного напряжения определяется рабочим циклом. Для понижающего преобразователя уравнение рабочего цикла равно

Для получения подробной информации о расчете коэффициента заполнения понижающего преобразователя см. статью «Расчет коэффициента заполнения понижающего преобразователя».

Например, входное напряжение составляет 20 В, а желаемое выходное напряжение составляет 10 В, рабочий цикл может быть установлен на фиксированное значение 50%. Таким образом, сигнал ШИМ в приведенной выше схеме должен иметь 50% времени. Это может быть хорошо, пока вход фиксирован, а нагрузка также постоянна. Однако, когда есть небольшое возмущение, выход легко становится сумасшедшим, поэтому рекомендуется иметь замкнутый контур управления.

Для управления с обратной связью нужен хороший контроллер (стандартный контроллер), или, если вы очень хорошо разбираетесь в системе управления, вы можете разработать собственное аналоговое или цифровое управление.

Закрыть цикл для получения постановления

Ниже приведена схема понижающего преобразователя постоянного тока, который может работать от входного напряжения 30–60 В с выходным напряжением 24 В, 75 Вт. Силовая часть включает NMOS Si7852, диод SS3H9 и дроссель 47мкГн. Резистор делителя 93,1 кОм и 4,99 кОм составляют цепь обратной связи для управления по замкнутому контуру. Напряжение на резисторе 4,99 кОм сравнивается с внутренним эталоном на выводе V _FB контроллера.

Выход не может отклоняться от установленного уровня из-за замкнутого контура.Выше приведено простое решение, благодаря доступным контроллерам на рынке в настоящее время. Принцип управления замкнутым контуром очень технический, но о нем забывают, поскольку на рынке доступно множество простых решений.

Для быстрой реакции контура необходима компенсационная сеть. В приведенной выше схеме компоненты, присоединенные к выводу V _C, составляют компенсационную цепь.

Подробнее об эксплуатации SMPS

Схемы, входящие в состав импульсных источников питания, являются импульсными преобразователями.Понимание работы импульсного преобразователя также прояснит работу импульсного источника питания. Позвольте мне рассмотреть схему повышающего преобразователя ниже. Когда ШИМ имеет высокий уровень (MOSFET Q1 насыщается), переключатель Q1 включится, и на этот раз катушка индуктивности L1 будет заряжаться. Диод D1 будет смещен в обратном направлении, и нагрузка будет зависеть только от заряда конденсатора C1.

Когда сигнал ШИМ низкий, транзистор Q1 отключается. Индуктор будет сопротивляться внезапному изменению тока, поэтому он изменит свою полярность, чтобы поддерживать то же направление тока.В результате D1 будет смещен в прямом направлении, а C1 пополнит свой заряд, и нагрузка будет получать питание от входа. Изменение полярности катушки индуктивности создает уровень напряжения выше входного (буст-эффект). На приведенной ниже диаграмме показаны формы тока катушки индуктивности, диода и полевого МОП-транзистора в зависимости от состояния ШИМ.

Эффективность импульсного источника питания

Основной причиной популярности этого типа блоков питания является способность обеспечивать более высокий КПД. Ниже приведена таблица эффективности, достижимой для импульсного источника питания, согласно стандарту 80 plus.

 Кредит на 80 Plus

Эффективность рассчитывается как

Ploss – общие потери блока питания. Ранее я упомянул нулевое рассеивание мощности, когда переключатель находится в состоянии насыщения или отсечки. В идеале, но такой идеальной системы не существует. Потери питания в импульсном режиме происходят из-за RDSon полевого МОП-транзистора, потерь при переключении, потерь на диодах, потерь смещения и потерь, связанных с катушкой индуктивности.

Руководство по проектированию SMPS

1.Знакомство с приложением

Определите приложение. Например. для какого приложения используется источник питания, каковы окружающие условия, рабочие температуры и определить, является ли принудительное воздушное охлаждение или естественная конвекция. Принудительный воздух и естественная конвекция имеют разный подход к проектированию.

2. Определение мощности

Если вашему приложению требуется 100 Вт, не создавайте блок питания мощностью 100 Вт.Всегда включайте запас не менее 40 % на случай внезапных перегрузок. Если позволяет бюджет, вы можете спроектировать блок питания мощностью 200 Вт, чтобы ваша нагрузка всегда составляла половину мощности блока питания. По результатам испытаний импульсный блок питания имеет наибольшую эффективность при нагрузке 50-60%.

3. Выберите топологию

Когда у вас будет целевая мощность, выберите топологию для использования. Для номинальной мощности менее 150 Вт Flyback является экономичным решением. Однако для более высоких требований к эффективности Flyback не является хорошим вариантом.Вы можете рассмотреть резонансное решение. Для приложений с высокой мощностью, скажем, в киловаттном диапазоне, вы можете рассмотреть полный мост в секции DC-DC. Для приложений DC-DC используйте режим buck, если вы стремитесь к более низкому выходному напряжению, режим повышения для более высокого выходного напряжения или режим buck-boost, если необходимо объединить их.

4. Решите, нужно ли включать цепь коэффициента мощности

Это зависит от технических характеристик и приложений. Для зарядных устройств и маломощного адаптера нет необходимости в дополнительной ступени PFC.Для высокой мощности или если вы хотите конкурировать на рынке и иметь сертифицированный источник питания, вам необходимо включить схему PFC, такую как повышающий преобразователь.

5. Вы хотите, чтобы продукт был сертифицирован органами EMC?

Если да, включите в конструкцию фильтр электромагнитных помех.

6. Использование синхронных выпрямителей, параллельных МОП-транзисторов

Если вам требуется очень высокая эффективность, рассмотрите возможность использования синхронного выпрямителя. Вы также можете запараллелить полевые МОП-транзисторы, чтобы еще больше снизить потери проводимости, связанные с RDson.

7. Выберите элемент управления

Вы можете использовать аналоговые контроллеры для конкретных приложений или выбрать цифровое решение, такое как MCU, DSC или DSP. Аналоговые контроллеры просты. Что ж, если вы хорошо разбираетесь в системах управления, почему бы не рассмотреть цифровое решение. Цифровое решение очень гибкое, так как вы можете включать в себя ведение домашнего хозяйства или мониторинг.

8. Прочее

Правильный выбор устройств, следите за номинальным напряжением, током и мощностью.Будьте осторожны с допусками. Учитывайте срок службы конденсаторов, вентиляторов и оптоизоляторов.

Родственные

Основы и работа импульсного источника питания

Импульсные источники питания

(SMPS) используются в ряде приложений в качестве эффективного и действенного источника питания. Это основная часть их эффективности. Для тех, кто все еще работает на рабочем столе, найдите выход вентилятора в центральных процессорах (ЦП). Вот где СМПС.

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

Различные виды

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Первичная мощность, полученная от сети переменного тока, выпрямляется и фильтруется как постоянный ток высокого напряжения.Затем он переключается с огромной скоростью и подается на первичную сторону понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор имеет лишь малую часть размера сопоставимого устройства на 50 Гц, что устраняет проблемы с размером и весом.

У нас есть отфильтрованный и выпрямленный выход на вторичной стороне трансформатора. Теперь он направляется на выход источника питания. Выборка этого выхода отправляется обратно на коммутатор для управления выходным напряжением.

Передний преобразователь

В прямом преобразователе дроссель пропускает ток, когда транзистор открыт, а также когда он не открыт. Диод проводит ток в течение периода ВЫКЛ транзистора. Следовательно, энергия поступает в нагрузку в течение обоих периодов. Дроссель накапливает энергию в течение периода включения, а также передает часть энергии на выходную нагрузку.

Обратноходовой преобразователь

В обратноходовом преобразователе магнитное поле катушки индуктивности накапливает энергию в течение периода включения переключателя. Энергия сбрасывается в цепь выходного напряжения, когда переключатель находится в разомкнутом состоянии. Рабочий цикл определяет выходное напряжение.

Автоколебательный обратноходовой преобразователь

Это самый простой и базовый преобразователь, основанный на обратноходовом принципе. В течение времени проводимости переключающего транзистора ток через первичную обмотку трансформатора начинает линейно возрастать с наклоном, равным Vin/Lp.

Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке и обмотке обратной связи, вызывает обратное смещение выпрямителя с быстрым восстановлением и удерживает проводящий транзистор во включенном состоянии. Когда первичный ток достигает пикового значения Ip, при котором сердечник начинает насыщаться, ток имеет тенденцию к очень резкому возрастанию.Этот резкий рост тока не может поддерживаться приводом с фиксированной базой, обеспечиваемым обмоткой обратной связи. В результате переключение начинает выходить из насыщения.

Импульсный регулятор выполняет регулирование в SMPS. Элемент последовательного переключения включает и выключает подачу тока на сглаживающий конденсатор. Напряжение на конденсаторе определяет время включения последовательного элемента. Непрерывное 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. Затем выпрямленное напряжение подается на предварительный регулятор коррекции коэффициента мощности (PFC), за которым следует преобразователь (преобразователи) постоянного тока в постоянный.

В большинстве компьютеров и небольших бытовых приборов используется входной разъем типа Международной электротехнической комиссии (МЭК). Что касается выходных разъемов и распиновки, то, за исключением некоторых отраслей, таких как ПК и компактный PCI, они вообще не стандартизированы и оставлены на усмотрение производителя.

Почему SMPS

Как и любой электронный гаджет, 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 вы должны выбрать SMPS

Действие переключения означает, что элемент последовательного регулятора либо включен, либо выключен. Очень высокий уровень эффективности достигается за счет того, что очень мало энергии рассеивается в виде тепла.
Благодаря высокому КПД и низкому уровню тепловыделения импульсные источники питания могут быть компактными.

Технология импульсного источника питания

также обеспечивает высокоэффективное преобразование напряжения в приложениях, повышающих или повышающих, и понижающих, или понижающих.

Тогда есть плохой набор

Переходные выбросы из-за действия переключения могут мигрировать в другие области цепей, если они не отфильтрованы должным образом. Это может вызвать электромагнитные или радиочастотные помехи, воздействующие на другие расположенные поблизости элементы электронного оборудования, особенно если они принимают радиосигналы.
Гарантировать, что SMPS работает в соответствии с требуемой спецификацией, может быть немного сложно. Уровни пульсаций и помех особенно сложны.
Стоимость импульсного источника питания рассчитывается перед его проектированием или использованием.Дополнительная фильтрация увеличивает стоимость.

Видео ниже от Джейкоба Дайкстры познакомит вас с одним из них.

Что ждет нас в будущем?

В будущем у нас может быть более эффективный SMPS, предназначенный для лучшего преобразователя, выполняющего наиболее эффективный процесс преобразования. Приоритетными областями для разработчиков в повышении эффективности SMPS будут:

Более высокая выходная мощность
Достижение более высокого выходного тока и низкого напряжения
Увеличение удельной мощности
Использование коммутационного устройства, такого как диод Шоттки

SiC-диод Шоттки, испытанный в диапазоне рабочих напряжений 300–600 В, может использоваться в качестве активного устройства вместо транзистора с высокой частотой переключения.Почему бы вам не попробовать? В лаборатории. Возможно, под руководством опытного…

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

ОСНОВЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ – Волновая электроника

Теория нерегулируемого источника питания

Поскольку нестабилизированные источники питания не имеют встроенных стабилизаторов напряжения, они обычно предназначены для получения определенного напряжения при определенном максимальном выходном токе нагрузки. Обычно это настенные зарядные устройства, которые превращают переменный ток в небольшую струйку постоянного тока и часто используются для питания таких устройств, как бытовая электроника.Они являются наиболее распространенными адаптерами питания и получили прозвище «настенная бородавка».

Выходное напряжение постоянного тока зависит от внутреннего понижающего трансформатора напряжения и должно быть как можно ближе согласовано с током, требуемым нагрузкой. Обычно выходное напряжение будет уменьшаться по мере увеличения выходного тока на нагрузку.

При использовании нерегулируемого источника питания постоянного тока выходное напряжение зависит от величины нагрузки. Обычно он состоит из выпрямителя и сглаживающего конденсатора, но без регулирования для стабилизации напряжения.Он может иметь схемы безопасности и лучше всего подходит для приложений, не требующих точности.

Рис. 4: Блок-схема — нерегулируемый линейный источник питания

Преимущества нерегулируемых источников питания в том, что они долговечны и могут быть недорогими. Однако их лучше всего использовать, когда точность не требуется. Имеют остаточную пульсацию, аналогичную показанной на рис. 3.

ПРИМЕЧАНИЕ. Компания Wavelength не рекомендует использовать нерегулируемые блоки питания ни с одним из наших продуктов.

Теория регулируемого источника питания

Стабилизированный источник питания постоянного тока, по сути, представляет собой нерегулируемый источник питания с добавлением регулятора напряжения. Это позволяет напряжению оставаться стабильным независимо от величины тока, потребляемого нагрузкой, при условии, что заданные пределы не превышены.

Рисунок 5: Блок-схема — регулируемая подача

В регулируемых источниках питания схема постоянно измеряет часть выходного напряжения и регулирует систему, чтобы поддерживать выходное напряжение на требуемом уровне.Во многих случаях для обеспечения ограничения тока или напряжения, фильтрации шумов и регулировки выходного сигнала включаются дополнительные схемы.

Линейный, коммутируемый или работающий от батареи?

Существует три подгруппы регулируемых источников питания: линейные, импульсные и аккумуляторные. Из трех основных конструкций регулируемых источников питания линейная является наименее сложной системой, но у импульсного питания и питания от батареи есть свои преимущества.

Линейный источник питания
Линейные источники питания используются, когда наиболее важны точная регулировка и устранение помех.Хотя они не являются самым эффективным источником питания, они обеспечивают наилучшую производительность. Название происходит от того факта, что они не используют переключатель для регулирования выходного напряжения.

Линейные источники питания доступны уже много лет, и они широко используются и надежны. Они также относительно бесшумны и доступны в продаже. Недостатком линейных источников питания является то, что они требуют более крупных компонентов, следовательно, они больше и рассеивают больше тепла, чем импульсные источники питания. По сравнению с импульсными источниками питания и батареями они также менее эффективны, иногда демонстрируя КПД всего 50%.

Импульсный источник питания
Импульсные источники питания (SMPS) более сложны в конструкции, но имеют большую гибкость в отношении полярности и при правильном проектировании могут иметь КПД 80% и более. Хотя в них больше компонентов, они меньше и дешевле, чем линейные источники питания.

Рис. 6: Блок-схема — регулируемый импульсный источник питания

Одним из преимуществ коммутируемого режима является то, что потери на коммутаторе меньше.Поскольку SMPS работают на более высоких частотах, они могут излучать шум и мешать другим цепям. Должны быть приняты меры по подавлению помех, такие как экранирование и соблюдение протоколов компоновки.

Преимущество импульсных источников питания заключается в том, что они, как правило, небольшие и легкие, имеют широкий диапазон входного напряжения и более высокий диапазон выходного напряжения, а также гораздо более эффективны, чем линейные источники питания. Однако SMPS имеет сложную схему, может загрязнять сеть переменного тока, более шумен и работает на высоких частотах, требующих подавления помех.

Аккумуляторный источник питания
Аккумуляторный источник питания является третьим типом источника питания и, по сути, является мобильным накопителем энергии. Питание от батарей создает незначительный шум, мешающий работе электроники, но теряет емкость и не обеспечивает постоянного напряжения по мере разрядки батарей. В большинстве приложений, использующих лазерные диоды, батареи являются наименее эффективным способом питания оборудования. Большинству аккумуляторов трудно подобрать правильное напряжение для нагрузки. Использование аккумулятора, рассеиваемая внутренняя мощность которого может превышать мощность драйвера или контроллера, может привести к повреждению устройства.

Выбор источника питания

При выборе блока питания необходимо учитывать несколько требований.
Требования к мощности нагрузки или цепи, включая
Функции безопасности, такие как ограничения напряжения и тока для защиты нагрузки.
Физический размер и эффективность.
Помехоустойчивость системы.

Руководство по основам импульсного источника питания

Аннотация: Импульсные источники питания являются популярным, а иногда и необходимым выбором для преобразования мощности постоянного тока в постоянный.Эти схемы предлагают явные преимущества и компромиссы по сравнению с альтернативными методами преобразования мощности постоянного тока. В этой статье представлен краткий обзор преимуществ и недостатков импульсных источников питания, а также предлагается простой обзор их работы и теории.

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

Принимая во внимание многочисленные уровни постоянного напряжения, необходимые для многих электронных устройств, разработчикам нужен способ преобразования стандартных потенциалов источника питания в напряжения, диктуемые нагрузкой.Преобразование напряжения должно быть универсальным, эффективным и надежным процессом. Импульсные источники питания (SMPS) часто используются для обеспечения различных уровней выходной мощности постоянного тока, необходимых для современных приложений, и незаменимы для создания высокоэффективных и надежных систем преобразования мощности постоянного тока в постоянный.

Почему ИИП?

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

Универсальность

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

Персонализация

Кроме того, современные ИС SMPS разработаны с различными уровнями интеграции, что позволяет инженеру выбирать среди топологий с более или менее стандартными функциями SMPS, реализованными в ИС. При этом производители упрощают проектирование широко используемых источников питания для конкретных приложений или предлагают инженерам базовые ИС SMPS для индивидуальных проектов, тем самым повышая универсальность этих широко используемых устройств.

Эффективность

Инженеры также сталкиваются с другой распространенной проблемой: как эффективно преобразовывать энергию постоянного тока. Например, часто требуется понизить входное напряжение, чтобы получить более низкое выходное напряжение. В простом решении используется линейный регулятор, так как для этого устройства требуется всего несколько конденсаторов и соответствующее управление температурой. Однако там, где такая простота заканчивается, начинается неэффективность — даже до неприемлемого уровня, если перепад напряжения велик.

Эффективность линейного стабилизатора напрямую связана с мощностью, падающей на его проходном транзисторе.Это падение мощности может быть значительным, поскольку рассеиваемая мощность равна I _LDO × (V _IN — V _OUT). Например, при понижении нагрузки 100 мА от батареи 3,6 В до выходного напряжения 1,8 В на линейном регуляторе падает 0,18 Вт. Это падение мощности приводит к низкому КПД 50%, что снижает срок службы батареи на 50% (при идеальной работе).

Понимая эту потерю эффективности, добросовестный инженер стремится найти улучшенное решение, и здесь превосходит SMPS. Хорошо спроектированный SMPS может достигать КПД 90% и более, в зависимости от нагрузки и уровня напряжения. Как и в предыдущем примере, при использовании понижающего ИИП Рисунок 1 вместо линейного регулятора наблюдается КПД 90%. Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Преимущество понижающего SMPS очевидно, и аналогичная или лучшая эффективность наблюдается в других топологиях SMPS.

Рис. 1. MAX8640Y используется в простой схеме импульсного источника питания с понижением частоты.

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

Топология SMPS и теория преобразования

Как упоминалось в предыдущем разделе, импульсные источники питания могут преобразовывать входное постоянное напряжение в другое выходное постоянное напряжение в зависимости от топологии схемы. Хотя в инженерном мире используется множество топологий SMPS, три из них являются основными и встречаются чаще всего. Эти топологии (показаны на рис. 2 ) классифицируются в соответствии с их функцией преобразования: понижающая (понижающая), повышающая (повышающая) и повышающая/понижающая (понижающая-повышающая или инверторная).Пути заряда/разряда катушки индуктивности, представленные на схемах на Рисунке 2, обсуждаются в следующих параграфах.

Рис. 2. Понижающий, повышающий и повышающе-понижающий режимы составляют основные топологии SMPS.

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

Состояния включения и выключения MOSFET делят цепь SMPS на две фазы: фаза заряда и фаза разряда, обе из которых описывают передачу энергии дросселем (см. петли на рисунке 2).Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время фазы зарядки, передается на выходную нагрузку и конденсатор во время фазы разрядки. Конденсатор поддерживает нагрузку, пока катушка индуктивности заряжается, и поддерживает выходное напряжение. Эта циклическая передача энергии между элементами схемы поддерживает правильное значение выходного напряжения в соответствии с его топологией.

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

Следовательно, изменение энергии в индукторе измеряется изменением его тока (ΔI _L ), которое обусловлено к приложенному к нему напряжению (V _L ) в течение определенного периода времени (ΔT):

(ΔI _L ) представляет собой линейную рампу, поскольку постоянное напряжение прикладывается к дросселю во время каждой фазы переключения ( Рисунок 3 ). Напряжение катушки индуктивности во время фазы переключения можно определить, выполнив петлю напряжения Кирхгофа, обращая особое внимание на полярность и соотношения V _IN / V _OUT. Например, напряжение катушки индуктивности повышающего преобразователя во время фазы разряда равно -(В _ВЫХ — В _ВХ ). Поскольку V _OUT > V _IN , напряжение дросселя отрицательное.

Рис. 3. Подробные характеристики напряжения и тока для катушки индуктивности в установившемся режиме.

Во время фазы заряда МОП-транзистор открыт, диод смещен в обратном направлении, и энергия передается от источника напряжения к дросселю (рис. 2). Ток катушки индуктивности увеличивается, потому что V _L положителен.Кроме того, выходная емкость передает энергию, накопленную в предыдущем цикле, в нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Во время фазы разряда полевой МОП-транзистор выключается, и диод становится смещенным в прямом направлении и, следовательно, проводит. Поскольку источник больше не заряжает катушку индуктивности, клеммы катушки индуктивности меняют полярность по мере того, как она разряжает энергию в нагрузку и пополняет выходной конденсатор (рис. 2). Ток катушки индуктивности снижается по мере передачи энергии в соответствии с тем же соотношением передачи, которое было указано ранее.

Циклы зарядки/разрядки повторяются и поддерживают установившееся состояние переключения. Во время перехода цепи в устойчивое состояние ток дросселя нарастает до своего конечного уровня, который представляет собой суперпозицию постоянного тока и линейно изменяющегося переменного тока (или пульсирующего тока дросселя), возникающего в течение двух фаз цепи (рис. 3). Уровень постоянного тока связан с выходным током, но зависит от положения катушки индуктивности в цепи SMPS.

Импульсный источник тока должен отфильтровываться импульсным током, чтобы обеспечить подачу постоянного тока на выход.Это фильтрующее действие осуществляется выходным конденсатором, который мало сопротивляется высокочастотному переменному току. Нежелательный выходной пульсирующий ток проходит через выходной конденсатор и поддерживает заряд конденсатора, пока ток проходит на землю. Таким образом, выходной конденсатор также стабилизирует выходное напряжение. Однако в неидеальных приложениях эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора вызывает пульсации выходного напряжения, пропорциональные пульсациям тока, протекающего через него.

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

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

Проще говоря, произведение напряжения дросселя на время в каждой фазе цепи равно .Это означает, что, наблюдая за цепями SMPS на рис. 2, можно без особых усилий найти идеальные установившиеся коэффициенты преобразования напряжения/тока. Для понижающей схемы петля напряжения Кирхгофа вокруг цепи фазы заряда показывает, что напряжение катушки индуктивности представляет собой разницу между V _IN и V _OUT . Аналогично, напряжение катушки индуктивности во время цепи фазы разряда равно -V _OUT . Используя правило вольт-секунд из уравнения 3, определяется следующий коэффициент преобразования напряжения:

Кроме того, входная мощность (P _IN ) равна выходной мощности (P _OUT ) в идеальной схеме. Таким образом, находится коэффициент преобразования тока:

Из этих результатов видно, что понижающий преобразователь уменьшает V _IN в D раз, а входной ток в D-кратно превышает ток нагрузки. В таблице 1 перечислены коэффициенты преобразования для топологий, изображенных на рис. 2. Как правило, все коэффициенты преобразования SMPS можно найти с помощью метода, используемого для решения уравнений 3 и 5, хотя анализ сложных топологий может быть более сложным.

Таблица 1.Коэффициенты преобразования SMPS

Топология	Коэффициент преобразования напряжения	Коэффициент преобразования тока
Понижающий	В _ВЫХ /В _ВХОД = D	I _ВХОД /I _ВЫХОД = D
Повышающий	В _ВЫХ /В _ВХОД = 1/(1 — D)	I _IN /I _OUT = 1/(1 — D)
Шаг вверх/вниз	В _ВЫХ /В _ВХОД = Д/(1 — Д)	I _IN /I _OUT = D/(1 — D)

Недостатки и недостатки SMPS

Конечно, высокая эффективность, обеспечиваемая SMPS, не лишена недостатков. Возможно, наиболее часто упоминаемой проблемой импульсных преобразователей является их склонность к излучению электромагнитных помех (ЭМП) и проведению шума. Электромагнитное излучение вызвано быстрыми переходами сигналов переключения тока и напряжения, которые существуют в цепях SMPS. Быстро меняющиеся напряжения в узле индуктора вызывают излучаемые электрические поля, в то время как быстро переключаемые токи контуров заряда/разряда создают магнитные поля. Кондуктивный шум, однако, распространяется на входные и выходные цепи, когда входные/выходные емкости импульсных источников питания и паразитные помехи на печатной плате представляют собой более высокие импедансы по отношению к коммутируемым токам.К счастью, правильное размещение компонентов и методы компоновки печатной платы могут успешно бороться с электромагнитными помехами и снижать уровень шума.

SMPS также могут быть довольно сложными и требовать дополнительных внешних компонентов, что может привести к увеличению общей стоимости источника питания. К счастью, большинство производителей ИС ИИП предоставляют подробную литературу не только по работе устройства, но и по правильному выбору внешних компонентов. Кроме того, высокий уровень интеграции современных ИС SMPS может уменьшить количество необходимых внешних компонентов.

Несмотря на эти проблемы, SMPS широко используются во многих приложениях. С недостатками можно справиться, а эффективность и универсальность, получаемые от их использования, очень желательны и часто необходимы.

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

Как было сказано выше, режим стабилизации мощности
питание грубо подразделяется на режим переключения и последовательный режим.
В настоящее время под электроснабжением понимается коммутационная система во многих случаях из-за
к высокой эффективности и компактности.Вот механизм переключения
объясняется блок питания.

<< Принцип действия >>
Показана принципиальная схема и элементы 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 по поддержанию
напряжения
— Высокочастотный трансформатор: для передачи энергии от первичной к
вторичный
— Цепь управления: для управления синхронизацией ВКЛ/ВЫКЛ коммутационного устройства
для стабилизации вторичного напряжения

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

Теперь, согласно приведенной выше схеме, рабочий механизм переключения
питания можно объяснить следующим образом:
(1) Подключите переменный ток (AC) к импульсному источнику питания.
(2) Переменный ток выпрямляется выпрямительным мостом и сглаживается первичным
электролитический конденсатор после этого.
(3) Операция переключения (повторяющаяся электрическая операция ВКЛ/ВЫКЛ) переключения
Устройство генерирует переменный ток с высокой частотой.
(4) Энергия (AC) передается через высокочастотный трансформатор в
второстепенная сторона.
(5) Выпрямлен вторичным диодом и сглажен вторичным электролитом
конденсатор, энергия преобразуется в постоянный ток на выходе.
(6) Для стабилизации выходного напряжения управление переключением 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 преобразовать его обратно в постоянный ток». Также при определении переключения
цикла преобразователя постоянного тока, он подразделяется на два режима. Один
называется режимом самовозбуждения, блок переключения которого определяет
цикл переключения сам по себе.Другой называется раздельным возбуждением.
режим (режим PWM), который имеет генератор для независимого определения частоты.
Особенности режима самовозбуждения: «Стоимость низкая из-за простого
структура схемы», и «частота изменяется в соответствии с
входному напряжению и состоянию нагрузки». Отдельный режим возбуждения
особенности: «Стоимость, как правило, высока по сравнению с самовозбуждением
режиме, поскольку он использует микросхемы», и «частота постоянна.»
Также есть еще два режима, когда энергия передается от
первичное во вторичное. Один из них называется прямым режимом, в котором энергия
передается в течение периода включения, а другой называется обратноходовым
режим, при котором энергия передается во время периода ВЫКЛ.

(1) Одинарный вперед

Рисунок 1.6 Одинарная подача

Этот режим используется во многих импульсных источниках питания из-за простой
Структура и стабильное управление.(Принято в наших источниках питания Nonstop
во многих случаях). В основном используется раздельный режим возбуждения от малых
мощность до высокой мощности, а также. Недостатком является плохое удобство использования трансформатора.

(2) Обратный ход (называемый RCC)

Рисунок 1.7 Обратный ход

Этот режим требует нескольких компонентов и является самым простым режимом, но не
подходит для большой мощности. Это в основном принято для малой мощности, но
диапазон входного напряжения широкий.

(3) Двухтактный

Рисунок 1.8 Двухтактный

В этом режиме используются два переключающих устройства и катушки для поочередного включения.
Смещающий магнетизм трансформатора имеет решающее значение.

(4) Полумост

Рисунок 1.9 Полумост

Работа аналогична двухтактному режиму, но применяется к
преобразования составляет половину Vi, можно использовать низковольтные транзисторы.То
удобство использования трансформатора лучше, но повышение температуры
каждый конденсатор, вызванный переключением тока, протекающего в конденсаторах
является критическим.

(5) Полный мост

Рисунок 1.10 Полный мост

Структура схемы сложная, но коммутационные устройства низкого напряжения
может быть использован. Это дает высокий КПД и адаптировано к высокой мощности.
Удобство использования трансформатора самое высокое.Критические точки
представляют собой 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 импульса с использованием магнитного насыщения.
аморфного ядра, обладающего свойством прямоугольного гистерезиса для стабилизации
выходное напряжение.

(7) Понижающий измельчитель

Рис. 1.12Понижающий измельчитель

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

(8) Повышающий прерыватель (также называемый обратноходовым)

Рисунок 1.13 Повышающий прерыватель

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

Линейный регулируемый источник питания в сравнении с импульсным источником питания | ОРЕЛ

Бытовым электронным устройствам, особенно имеющим интегральные схемы, требуется надежный источник постоянного напряжения, который может обеспечивать питание в любое время без каких-либо сбоев. В этом блоге мы рассмотрим две топологии конструкции источников питания, которые следует рассмотреть для вашего следующего проекта: линейные регулируемые и импульсные источники питания. Выбранный вами источник питания в конечном итоге зависит от ваших требований к эффективности, занимаемому месту, регулированию мощности, переходному времени отклика и стоимости.

Линейный регулируемый источник питания

Линейные регуляторы

были предпочтительными источниками питания до 1970-х годов для преобразования переменного тока (AC) в устойчивый постоянный ток (DC) для электронных устройств.Несмотря на то, что сегодня этот тип источника питания не используется так широко, он по-прежнему является лучшим выбором для приложений, требующих минимального уровня шума и пульсаций.

Пусть они и громоздки, но линейные стабилизированные источники питания бесшумны. (Источник изображения)

Как они работают

Основным компонентом, обеспечивающим работу линейного регулятора, является стальной или железный трансформатор. Этот трансформатор выполняет две функции:

Он действует как барьер, отделяющий вход переменного тока высокого напряжения от входа постоянного тока низкого напряжения, который также отфильтровывает любые помехи, попадающие в выходное напряжение.
Он снижает входное напряжение переменного тока со 115 В/230 В примерно до 30 В, которое затем можно преобразовать в постоянное напряжение постоянного тока.

Переменное напряжение сначала понижается трансформатором, а затем выпрямляется несколькими диодами. Затем оно сглаживается до низкого постоянного напряжения парой больших электролитических конденсаторов. Это низкое постоянное напряжение затем регулируется как постоянное выходное напряжение с использованием транзистора или интегральной схемы.

Вот блок питания с линейным стабилизатором. (Источник изображения)

Регулятор напряжения в линейном блоке питания работает как переменный резистор.Это позволяет изменять значение выходного сопротивления в соответствии с требованиями к выходной мощности. Поскольку регулятор напряжения постоянно сопротивляется току для поддержания напряжения, он также действует как рассеивающее устройство. Это означает, что полезная мощность постоянно теряется в виде тепла для поддержания постоянного уровня напряжения.

Трансформатор уже является крупным компонентом на печатной плате (PCB). Из-за постоянной мощности и тепловыделения блоку питания с линейным регулятором потребуется радиатор.Только эти два компонента делают устройство очень тяжелым и громоздким по сравнению с небольшим форм-фактором импульсного источника питания.

Предпочтительные приложения

Линейные регуляторы

известны своей низкой эффективностью и большими размерами, но они обеспечивают бесшумное выходное напряжение. Это делает их идеальными для любых устройств, которым требуется высокая частота и низкий уровень шума, таких как:

Цепи управления
Малошумящие усилители
Сигнальные процессоры
Автоматизированное и лабораторное испытательное оборудование
Датчики и схемы сбора данных

Преимущества и недостатки

Источники питания с линейной стабилизацией

могут быть громоздкими и неэффективными, но их низкий уровень шума идеально подходит для приложений, чувствительных к шуму. Некоторые преимущества и недостатки, которые следует учитывать для этой топологии, включают:

Преимущества

Простое приложение . Линейные регуляторы могут быть реализованы в виде целого пакета и добавлены в схему только с двумя дополнительными фильтрующими конденсаторами. Это позволяет инженерам любого уровня подготовки с легкостью планировать и проектировать их с нуля.
Низкая стоимость . Если вашему устройству требуется выходная мощность менее 10 Вт, то затраты на компоненты и производство намного ниже по сравнению с импульсными источниками питания.
Низкий уровень шума/пульсаций . Линейные стабилизаторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения и широкую полосу пропускания. Это делает их идеальными для любых чувствительных к шуму приложений, включая устройства связи и радио.

Недостатки

Ограниченная гибкость . Линейные регуляторы можно использовать только для понижения напряжения. Для источника питания переменного/постоянного тока трансформатор с выпрямлением и фильтрацией необходимо будет разместить перед линейным источником питания, что увеличит общие затраты и усилия.
Ограниченный выход . Источники питания с линейной стабилизацией обеспечивают только одно выходное напряжение. Если вам нужно больше, вам нужно будет добавить отдельный линейный регулятор напряжения на требуемый выход.
Низкая эффективность . Среднее линейное регулируемое устройство достигает КПД 30-60% за счет рассеивания тепла. Это также требует добавления радиатора, который увеличивает размер и вес устройства.

В наше время энергоэффективных устройств низкий рейтинг эффективности линейного регулируемого источника питания может стать причиной сделки.Обычный блок питания с линейной стабилизацией будет работать с КПД около 60% при выходном напряжении 24 В. Когда вы рассматриваете входную мощность 100 Вт, вы видите 40 Вт потерянной мощности.

Прежде чем рассматривать возможность использования источника питания с линейной стабилизацией, мы настоятельно рекомендуем учитывать потери мощности, которые вы получите на пути от входа к выходу. Вы можете быстро оценить эффективность линейного регулятора по следующей формуле:

Импульсный источник питания (SMPS)

Импульсные источники питания были представлены в 1970-х годах и быстро стали самым популярным способом питания электронных устройств постоянным током.Что делает их такими замечательными? По сравнению с линейными регуляторами выделяются их высокая эффективность и производительность.

Типичный адаптер переменного тока включает блок питания с режимом переключения. (Источник изображения)