Принцип импульсный блок питания: Импульсные блоки питания, структурная схема, принципы работы

Содержание

Принцип работы импульсных блоков питания. Схема импульсного блока питания

Блоки питания всегда являлись важными элементами любых электронных приборов. Задействованы данные устройства в усилителях, а также приемниках. Основной функцией блоков питания принято считать снижение предельного напряжения, которое исходит от сети. Появились первые модели только после того, как была изобретена катушка переменного тока.

Дополнительно на развитие блоков питания повлияло внедрение трансформаторов в схему устройства. Особенность импульсных моделей заключается в том, что в них применяются выпрямители. Таким образом, стабилизация напряжения в сети осуществляется несколько другим способом, чем в обычных приборах, где задействуется преобразователь.

Устройство блока питания

Если рассматривать обычный блок питания, который используется в радиоприемниках, то он состоит из частотного трансформатора, транзистора, а также нескольких диодов. Дополнительно в цепи присутствует дроссель. Конденсаторы устанавливаются разной емкости и по параметрам могут сильно отличаться. Выпрямители используются, как правило, конденсаторного типа. Они относятся к разряду высоковольтных.

Работа современных блоков

Первоначально напряжение поступает на мостовой выпрямитель. На этом этапе срабатывает ограничитель пикового тока. Необходимо это для того, чтобы в блоке питания не сгорел предохранитель. Далее ток проходит по цепи через специальные фильтры, где происходит его преобразование. Для зарядки резисторов необходимо несколько конденсаторов. Запуск узла происходит только после пробоя динистора. Затем в блоке питания осуществляется отпирание транзистора. Это дает возможность значительно снизить автоколебания.

При возникновении генерации напряжения задействуются диоды в схеме. Они соединены между собой при помощи катодов. Отрицательный потенциал в системе дает возможность запереть динистор. Облегчение запуска выпрямителя осуществляется после запирания транзистора. Дополнительно обеспечивается ограничение тока. Чтобы предотвратить насыщение транзисторов, имеется два предохранителя. Срабатывают они в цепи только после пробоя. Для запуска обратной связи необходим обязательно трансформатор. Подпитывают его в блоке питания импульсные диоды. На выходе переменный ток проходит через конденсаторы.

Особенности лабораторных блоков

Принцип работы импульсных блоков питания данного типа построен на активном преобразовании тока. Мостовой выпрямитель в стандартной схеме предусмотрен один. Для того чтобы убирать все помехи, используются фильтры в начале, а также в конце цепи. Конденсаторы импульсный лабораторный блок питания имеет обычные. Насыщение транзисторов происходит постепенно, и на диодах это сказывается положительно. Регулировка напряжения во многих моделях предусмотрена. Система защиты призвана спасать блоки от коротких замыканий. Кабели для них обычно используются немодульной серии. В таком случае мощность модели может доходить до 500 Вт.

Разъемы блока питания в системе чаще всего устанавливаются типа АТХ 20. Для охлаждения блока в корпусе монтируется вентилятор. Скорость вращения лопастей должна регулироваться при этом. Максимальную нагрузку блок лабораторного типа должен уметь выдерживать на уровне 23 А. При этом параметр сопротивления в среднем поддерживается на отметке 3 Ом. Предельная частота, которую имеет импульсный лабораторный блок питания, равна 5 Гц.

Как осуществлять ремонт устройств?

Чаще всего блоки питания страдают из-за сгоревших предохранителей. Находятся они рядом с конденсаторами. Начать ремонт импульсных блоков питания следует со снятия защитной крышки. Далее важно осмотреть целостность микросхемы. Если на ней дефекты не видны, ее можно проверить при помощи тестера. Чтобы снять предохранители, необходимо в первую очередь отсоединить конденсаторы. После этого их можно без проблем извлечь.

Для проверки целостности данного устройства осматривают его основание. Сгоревшие предохранители в нижней части имеют темное пятно, которое свидетельствует о повреждении модуля. Чтобы заменить данный элемент, нужно обратить внимание на его маркировку. Затем в магазине радиоэлектроники можно приобрести аналогичный товар. Установка предохранителя осуществляется только после закрепления конденсатов. Еще одной распространенной проблемой в блоках питания принято считать неисправности с трансформаторами. Представляют они собой коробки, в которых устанавливаются катушки.

Когда напряжение на устройство подается очень большое, то они не выдерживают. В результате целостность обмотки нарушается. Сделать ремонт импульсных блоков питания при такой поломке невозможно. В данном случае трансформатор, как и предохранитель, можно только заменить.

Сетевые блоки питания

Принцип работы импульсных блоков питания сетевого типа основан на низкочастотном снижении амплитуды помех. Происходит это благодаря использованию высоковольтных диодов. Таким образом, контролировать предельную частоту получается эффективнее. Дополнительно следует отметить, что транзисторы применяются средней мощности. Нагрузка на предохранители оказывается минимальная.

Резисторы в стандартной схеме используются довольно редко. Во многом это связано с тем, что конденсатор способен участвовать в преобразовании тока. Основной проблемой блока питания данного типа является электромагнитное поле. Если конденсаторы используются с малой емкостью, то трансформатор находится в зоне риска. В данном случае следует очень внимательно относиться к мощности устройства. Ограничители для пикового тока сетевой импульсный блок питания имеет, а находятся они сразу над выпрямителями. Их основной задачей является контроль рабочей частоты для стабилизации амплитуды.

Диоды в данной системе частично выполняют функции предохранителей. Для запуска выпрямителя используются только транзисторы. Процесс запирания, в свою очередь, необходим для активации фильтров. Конденсаторы также могут применяться разделительного типа в системе. В таком случае запуск трансформатора будет осуществляться намного быстрее.

Применение микросхем

Микросхемы в блоках питания применяются самые разнообразные. В данной ситуации многое зависит от количества активных элементов. Если используется более двух диодов, то плата должна быть рассчитана под входные и выходные фильтры. Трансформаторы также производятся разной мощности, да и по габаритам довольно сильно отличаются.

Заниматься пайкой микросхем самостоятельно можно. В этом случае нужно рассчитать предельное сопротивление резисторов с учетом мощности устройства. Для создания регулируемой модели используют специальные блоки. Такого типа системы делаются с двойными дорожками. Пульсации внутри платы будут происходить намного быстрее.

Преимущества регулируемых блоков питания

Принцип работы импульсных блоков питания с регуляторами заключается в применении специального контроллера. Данный элемент в цепи может изменять пропускную способность транзисторов. Таким образом, предельная частота на входе и на выходе значительно отличается. Настраивать по-разному можно импульсный блок питания. Регулировка напряжения осуществляется с учетом типа трансформатора. Для охлаждения прибора используют обычные куллеры. Проблема данных устройств, как правило, заключается в избыточном токе. Для того чтобы ее решить, применяют защитные фильтры.

Мощность приборов в среднем колеблется в районе 300 Вт. Кабели в системе используются только немодульные. Таким образом, коротких замыканий можно избежать. Разъемы блока питания для подключения устройств обычно устанавливают серии АТХ 14. В стандартной модели имеется два выхода. Выпрямители используются повышенной вольтности. Сопротивление они способны выдерживать на уровне 3 Ом. В свою очередь, максимальную нагрузку импульсный регулируемый блок питания воспринимает до 12 А.

Работа блоков на 12 вольт

Импульсный блок питания (12 вольт) включает в себя два диода. При этом фильтры устанавливаются с малой емкостью. В данном случае процесс пульсации происходит крайне медленно. Средняя частота колеблется в районе 2 Гц. Коэффициент полезного действия у многих моделей не превышает 78%. Отличаются также данные блоки своей компактностью. Связано это с тем, что трансформаторы устанавливаются малой мощности. В охлаждении при этом они не нуждаются.

Схема импульсного блока питания 12В дополнительно подразумевает использование резисторов с маркировкой Р23. Сопротивление они способны выдержать только 2 Ом, однако для прибора такой мощности достаточно. Применяется импульсный блок питания 12В чаще всего для ламп.

Как работает блок для телевизора

Принцип работы импульсных блоков питания данного типа заключается в применении пленочных фильтров. Эти устройства способны справляться с помехами различной амплитуды. Обмотка дросселя у них предусмотрена синтетическая. Таким образом, защита важных узлов обеспечивается качественная. Все прокладки в блоке питания изолируются со всех сторон.

Трансформатор, в свою очередь, имеет отдельный куллер для охлаждения. Для удобства использования он обычно устанавливается бесшумным. Предельную температуру данные устройства выдерживают до 60 градусов. Рабочую частоту импульсный блок питания телевизоров поддерживает на уровне 33 Гц. При минусовых температурах данные устройства также могут использоваться, однако многое в этой ситуации зависит от типа применяемых конденсатов и сечения магнитопровода.

Модели устройств на 24 вольта

В моделях на 24 вольта выпрямители применяются низкочастотные. С помехами успешно справляться могут всего два диода. Коэффициент полезного действия у таких устройств способен доходить до 60%. Регуляторы на блоки питания устанавливаются довольно редко. Рабочая частота моделей в среднем не превышает 23 Гц. Сопротивление резисторы могут выдерживать только 2 Ом. Транзисторы в моделях устанавливаются с маркировкой ПР2.

Для стабилизации напряжения резисторы в схеме не используются. Фильтры импульсный блок питания 24В имеет конденсаторного типа. В некоторых случаях можно встретить разделительные виды. Они необходимы для ограничения предельной частоты тока. Для быстрого запуска выпрямителя динисторы применяются довольно редко. Отрицательный потенциал устройства убирается при помощи катода. На выходе ток стабилизируется благодаря запиранию выпрямителя.

Боки питания на схеме DA1

Блоки питания данного типа от прочих устройств отличаются тем, что способны выдерживать большую нагрузку. Конденсатор в стандартной схеме предусмотрен только один. Для нормальной работы блока питания регулятор используется. Устанавливается контроллер непосредственно возле резистора. Диодов в схеме можно встретить не более трех.

Непосредственно обратный процесс преобразования начинается в динисторе. Для запуска механизма отпирания в системе предусмотрен специальный дроссель. Волны с большой амплитудой гасятся у конденсатора. Устанавливается он обычно разделительного типа. Предохранители в стандартной схеме встречаются редко. Обосновано это тем, что предельная температура в трансформаторе не превышает 50 градусов. Таким образом, балластный дроссель со своими задачами справляется самостоятельно.

Модели устройств с микросхемами DA2

Микросхемы импульсных блоков питания данного типа среди прочих устройств выделяются повышенным сопротивлением. Используют их в основном для измерительных приборов. В пример можно привести осциллограф, который показывает колебания. Стабилизация напряжения для него является очень важной. В результате показатели прибора будут более точными.

Регуляторами многие модели не оснащаются. Фильтры в основном имеются двухсторонние. На выходе цепи транзисторы устанавливаются обычные. Все это дает возможность максимальную нагрузку выдерживать на уровне 30 А. В свою очередь, показатель предельной частоты находится на отметке 23Гц.

Блоки с установленными микросхемами DA3

Данная микросхема позволяет устанавливать не только регулятор, но и котроллер, который следит за колебаниями в сети. Сопротивление транзисторы в устройстве способны выдерживать примерно 3 Ом. Мощный импульсный блок питания DA3 с нагрузкой в 4 А справляется. Подсоединять вентиляторы для охлаждения выпрямителей можно. В результате устройства можно использовать при любой температуре. Еще одно преимущество заключается в наличии трех фильтров.

Два из них устанавливаются на входе под конденсаторами. Один фильтр разделительного типа имеется на выходе и стабилизирует напряжение, которое исходит от резистора. Диодов в стандартной схеме можно встретить не более двух. Однако многое зависит от производителя, и это следует учитывать. Основной проблемой блоков питания данного типа считается то, что они не способны справляться с низкочастотными помехами. В результате устанавливать их на измерительные приборы нецелесообразно.

Как работает блок на диодах VD1

Данные блоки рассчитаны на поддержку до трех устройств. Регуляторы в них имеются трехсторонние. Кабели для связи устанавливаются только немодульные. Таким образом, преобразование тока происходит быстро. Выпрямители во многих моделях устанавливаются серии ККТ2.

Отличаются они тем, что энергию от конденсатора способны передавать на обмотку. В результате нагрузка от фильтров частично снимается. Производительность у таких устройств довольно высокая. При температурах свыше 50 градусов они также могут использоваться.

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 1.

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

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

Рисунок 2

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

С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

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

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

Виктор Малышев

Что такое импульсный блок питания и где применяется. Принцип функционирования импульсных источников питания

В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП: повышающая (выходное напряжение выше входного) рис. 1,

Рис. 1. Повышающий импульсный источник питания (Uвых>Uвх).

понижающая (выходное напряжение ниже входного)

Рис. 2. Понижающий импульсный источник питания (Uвых

Понижающий импульсный источник питания (Uвых

Рис. 2 на каждом импульсе. -апасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики.

Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента — высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).

К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя «всем скопом» (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.

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

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

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

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

Принцип действия

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

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

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

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

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

Схема работы ИБП

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

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:

Быстрое восстановление, что дает возможность иметь малые потери.
Малое падение напряжения. Для снижения напряжения выхода применяют транзистор, в нем выпрямляется основная часть напряжения.

Схема импульсного блока минимального размера

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

Виды ИБП

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

Особенности

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

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

Особенности лабораторных блоков

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

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

Применение импульсных блоков

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

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

Достоинства и недостатки

ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:

Небольшой вес.
Увеличенный КПД.
Небольшая стоимость.
Интервал напряжения питания шире.
Встроенные защитные блокировки.

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

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

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

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

У простых блоков с трансформаторами защиты сделаны на релейной базе, на которой нет смысла цифровых технологий. Только в некоторых случаях используются цифровые технологии:

Для управляющих цепей с небольшой мощностью.
Устройства с небольшим током высокоточного управления, в измерительной технике, вольтметрах, счетчики энергии, в метрологии.

Недостатки

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

Импульсные блоки питания не рекомендуется подключать как с низкой нагрузкой, так и с высокой. Если на выходе резко упадет ток ниже установленного предела, то запуск может оказаться невозможным, а питание будет с искажениями данных, которые не подходят к диапазону работ.

Как выбрать импульсные блоки питания

Сначала нужно определиться со списком оборудования, и разделить на группы:

Постоянные потребители без своего источника энергии.
Потребители со своим источником.
Устройства с периодическим подключением.

В каждой группе необходимо сложить ток потребления для всех элементов. Если получается более 2 А, то лучше подключить несколько источников.

Вторую и третью группы можно подключить к дешевым блокам питания. Далее определяемся с необходимым временем резервирования. Чтобы посчитать емкость аккумулятора для обеспечения автономной работы, ток оборудования 1-й и 2-й групп умножаем на часы.

От этой цифры выбираем импульсные блоки питания. При покупке нельзя пренебрегать значением блока питания в системе. От него зависит функционирование и устойчивость оборудования.

Импульсные
источник питания(ИИП) на сегодняшний
день получили самое широкое распространение
и с успехом используются во всех
современных радиоэлектронных устройствах.

На
рисунке3 представлена структурная схема
импульсного источника питания,
выполненного по традиционной
схеме.вторичные выпрямители, выполняются
по однополупериодной схеме. Названия
этих узлов раскрывает их назначение и
не нуждается в пояснении. Основными
узлами первичной цепи являются: входной
фильтр, выпрямитель сетевого напряжения
и ВЧ Преобразователь выпрямленного
питающего напряжения с трансформатором.

Сетевой
выпрямительный фильтр

Трансформатор

ВЧ
преобразователь

Вторичные
выпрямители

Входной
фильтр

Рисунок
3 — Структурная схема импульсного БП

Основной
принцип, положенный в основу работы ИИП
заключается в преобразовании сетевого
переменного напряжения 220 вольт и
частотой 50 Гц в переменное высокочастотное
напряжение прямоугольной формы, которое
трансформируется до требуемых значений,
выпрямляется и фильтруется.

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

Поскольку
частота преобразователя обычно выбирается
от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного
трансформатора, а, следовательно, и
всего блока питания достаточно компактны,
что является немаловажным параметром
для современной аппаратуры.Упрощенная
схема импульсного преобразователя с
внешним управлением приведена на рисунке
4.

Рисунок
4 — Принципиальная схема импульсного БП
с ВУ.

Для
стабилизации выходных напряжений ИБП,
схема ШИМ контроллера «должна знать»
величину выходных напряжений. Для этих
целей используется цепь слежения (или
цепь обратной связи), выполненная на
оптопаре U1 и резистореR2.
Увеличение напряжения во вторичной
цепи трансформатора Т1 приведет к
увеличению интенсивности излучения
светодиода, а следовательно уменьшению
сопротивления перехода фототранзистора
(входящих в состав оптопары U1). Что в
свою очередь, приведет к увеличению
падения напряжения на резисторе R2,
который включен последовательно
фототранзистору и уменьшению напряжения
на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение
напряжения заставляет логическую схему,
входящую в состав ШИМ контроллера,
увеличивать длительность импульса до
тех пор, пока напряжение на 1-м выводе
не будет соответствовать заданным
параметрам. При
уменьшении напряжения – процесс
обратный.

В
ИБП используются два принципа реализации
цепей слежения – «непосредственный»
и «косвенный». Выше описанный
метод называется
«непосредственный», так как напряжение
обратной связи снимается непосредственно
с вторичного выпрямителя. При «косвенном»
слежении напряжение обратной связи
снимается с дополнительной обмотки
импульсного трансформатора рисунок 5.

Рисунок
5
— Принципиальная
схема импульсного БП с ВУ.

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

Защита
ИИП от короткого замыкания.

Короткое
замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом
случае вся энергия, отдаваемая во
вторичную цепь ИБП, будет теряться и
напряжение на выходе будет практически
равно нулю. Соответственно схема ШИМ
контроллера будет пытаться увеличить
длительность импульса для того, что бы
поднять уровень этого напряжения до
соответствующего значения. В итоге
транзистор VT1 будет все дольше и
дольше находиться
в открытом состоянии, и через него будет
увеличиваться протекающий ток. В конце
концов, это приведет к выходу из строя
этого транзистора. В ИБП предусмотрена
защита транзистора преобразователя от
перегрузок по току в таких нештатных
ситуациях. Основу ее составляет
резисторRзащ,
включенный последовательно в цепь, по
которой протекает ток коллектораIк.
Увеличение тока Iк протекающего
через транзистор VT1, приведет к увеличению
падения напряжения на этом резисторе,
а, следовательно, напряжение, подаваемое
на вывод 2 ШИМ контроллера также будет
уменьшаться. Когда это напряжение
снизится до определенного уровня,
который соответствует максимально
допустимому току транзистора, логическая
схема ШИМ контроллера прекратит
формирование импульсов на выводе 3 и
блок питания перейдет в режим защиты
или другими словами отключится.

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

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

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

Принцип действия ИИП и его устройство

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

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

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

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

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

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

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

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

Обратноходовой импульсный источник питания

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

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

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

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

Управление ШИМ-контроллером

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

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

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

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

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

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

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

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

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

Видео о работе импульсного источника питания

Импульсные или ключевые, источники электропитания в настоящее время получили распространение не меньше, чем линейные стабилизаторы напряжения. Их основными достоинствами являются: высокий коэффициент полезного действия, малые габариты и масса, высокая удельная мощность. Это стало возможным благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка большую часть времени находится в области насыщения или области отсечки ВАХ, а зону активного (линейного) режима проходит с высокой скоростью за очень малое время переключения. В состоянии насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю, а в режиме отсечки отсутствует ток, благодаря чему потери в транзисторе оказываются достаточно малыми. Поэтому средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейных регуляторах. Малые потери в силовых ключах приводят к уменьшению или полному исключению радиаторов.

Улучшение массогабаритных характеристик источников питания обусловлено, прежде всего, тем, что из схемы источника питания исключается силовой трансформатор, работающей на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор или дроссель, габариты и масса которого намного меньше низкочастотного силового трансформатора.

К недостаткам импульсных источников электропитания относятся: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличение пульсаций выходного напряжения, большое время выхода на рабочий режим. Сравнительные характеристики обычных (т.е. с низкочастотным силовым трансформатором) и импульсных источников питания приведены в таблице 2.1.

Сравнение этих характеристик показывает, что КПД импульсных источников питания увеличивается по сравнению с обычными (линейными) в отношении 1:2, а удельная мощность в отношении 1:4. При повышении частоты преобразования с 20 кГц до 200 кГц удельная мощность возрастает в соотношении 1:8, т.е. почти в два раза. Импульсные источники питания имеют также большее время удержания выходного напряжения при внезапном отключении сети.

Это обусловлено тем, что в сетевом выпрямителе импульсного источника используются конденсаторы большой емкости и с высоким рабочим напряжением (до 400 В). При этом размеры конденсаторы растут пропорционально произведению CU, а энергия конденсатора пропорционально CU 2 . Этой энергии конденсатора достаточно для поддержания в рабочем состоянии источника питания в течении примерно 30 мс, что очень важно для сохранения информации в компьютерах при внезапном отключении питания.

Таблица 2.1 – Сравнение импульсных и линейных источников

В то же время пульсации выходного напряжения в импульсных источниках питания больше, чем у линейных, что обусловлено сложностью подавления коротких импульсов при работе импульсного преобразователя. Другие характеристики у этих источников практически совпадают.

Структура построения ИВЭП
. При всем разнообразии структурных схем рисунки 2.1…2.8 обязательным является наличие силового каскада,

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

Широкое распространение получили ИВЭП компенсационного типа, выполненного с обратной связью рисунок 2.1, Силовой каскад 3,на управляющий вход которого подается последовательность импульсов с определенными временными параметрами, осуществляет импульсное преобразование напряжения постоянного тока от первичного источника Еп в выходное напряжение Uн (утолщенными линиями показаны силовые цепи ИВЭП).

В общем случае выходных цепей с напряжениями Uн у одного ИВЭП может быть несколько. Усилитель импульсов 2 может выполнять не только функцию усиления управляющих импульсов по мощности для транзисторов 3, но и функции формирования импульсов: осуществляет временное разделение импульсов, например, для двухтактных преобразователей напряжения формирует короткие управляющие импульсы для схем 3 с трансформаторами тока или специальными типами силовых транзисторов и др..

Рисунок 2.1 — Структурная схема импульсного компенсационного ИВЭП

Импульсы, синхронизирующие работу ИВЭП, вырабатываются модулятором 1. Выходное напряжение постоянного тока Uн подается на вход схемы сравнения 4, где сравнивается с опорным напряжением Uоп. Сигнал рассогласования (ошибки) поступает на вход модулятора, который задает временные параметры синхронизирующих импульсов. Увеличение или уменьшение напряжения Uн приводит к изменению сигнала рассогласования на выходе 4 и временных параметров синхронизирующих импульсов на входе 1, что вызывает восстановление прежнего значения напряжения Uн, т.е. его стабилизацию. Таким образом, ИВЭП, выполненный по схеме рисунка 2.1 является стабилизирующим импульсным преобразователем напряжения компенсационного типа, поддерживающим неизменность выходного напряжения при изменениях выходного тока Iн, входного напряжения Еп, температуры окружающей среды и воздействия других дестабилизирующих факторов.

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

Сущность такого способа стабилизации заключается в том, что при воздействии какого-либо фактора, который может вызвать отклонение значения напряжения Uн от заданного, происходит изменение временных параметров управляющих импульсов, приводящее к тому, что Uн останется неизменным. Однако, в отличие от компенсационных стабилизаторов, изменение временных характеристик управляющих импульсов в этом случае зависит от величины отклонения самого дестабилизирующего воздействия.

Рисунок 2.2 — Структурная схема импульсного параметрического ИВЭП

На рисунке 2.2 генератор, обеспечивающий подобную функциональную зависимость, обозначен 1. Здесь штриховой линией показана связь Еп с управляющим входом генератора для обеспечения закона инвариантности Uн от Еп.

Источники вторичного электропитания без стабилизации выходного напряжения выполняются по схеме, приведенной на рисунок 2.3. Генератор импульсов 1 вырабатывает импульсы с неизменными временными параметрами. Очевидно, что для неизменности напряжения Uн необходимо иметь стабильное напряжение Еп.

Рисунок 2.3 — Структурная схема нестабилизированного ИВЭП

ИВЭП представленный на рисунке 2.4, осуществляет двойное преобразование энергии постоянного тока. Первый силовой каскад 1, как правило, импульсный стабилизатор преобразует напряжение Еп в стабилизированное напряжение Еп1. Второй силовой каскад 2 осуществляет гальваническую развязку напряжения и при необходимости дополнительную стабилизацию Uн. В общем случае компенсация и инвариантная стабилизация может осуществляется не только в 1, но и в обоих каскадах, что показано штриховыми линиями цепей отрицательной обратной связи. Силовые каскады 1 и 2 могут представлять собой различные варианты силовых каскадов любого из ИВЭП.

Рисунок 2.4 — Структурная схема ИВЭП двойного преобразования

Структурная схема блочного ИВЭП со ступенчатым наращиванием мощности приведена на рисунке 2.5. Для увеличения выходной мощности применено параллельное включение каскадов 3…5.

Рисунок 2.5 — Структурная схема модульного ИВЭП

Так как параллельное включение традиционных ИВЭП без применения специальных мер выравнивания мощности каждого из них невозможно, то в данном случае использован принцип многофазного построения ИЭВП. Он заключается в том, что модулятор-формирователь МФ осуществляет не только преобразование сигнала рассогласования СС в соответствующую импульсную последовательность, но и выполняет функцию фазового распределения импульсных сигналов по нескольким силовым каскадам. В результате такой работы ИЭВП временные этапы открытого и закрытого состояния силовых ключей транзисторов различных силовых каскадов оказываются разнесенными во времени.

Все рассмотренные схемы ИВЭП можно сравнивать по различным параметрам – стабильности выходных напряжений, массогабаритным характеристикам, энергетическим показателям, технологичности и себестоимости, а также возможности унификации. При этом, одна и та же схема в зависимости от заданных требований может оказаться неоптимальной по комплексу показателей. Заранее невозможно выбрать конкретную схему как наиболее эффективную, поэтому целесообразно рассмотреть наиболее общие свойства приведенных схем. Будем считать, что надежностные, энергетические и массогабаритные показатели силовых каскадов одинаковы и в равной степени зависят от мощности, выходного напряжения и частоты преобразования.

Наибольшей стабильностью выходного напряжения обладает ИВЭП, реализованный по схеме рисунка 2.1, так как обратная связь, воздейстующая на временные параметры управляющих импульсов, берётся непосредственно с выхода ИЭВП. Высокой стабильностью выходного напряжения обладает и схема ИВЭП, приведенная на рисунке 2.4, если обратная связь на СС берётся с выхода — Uн. Несколько худшей стабильностью, но большей простой схемы управления обладает ИВЭП, выполненные по схеме рисунка 2.2. Однако, здесь не учитывается изменение падения напряжения на индуктивных и активных элементах 3 при изменении тока нагрузки Iн. Дестабилизирующие изменения напряжения Еп могут быть скомпенсированы введением дополнительной, прямой связи (штриховая линия). Бывают ИВЭП с инвариантной стабилизацией не только возмущающего воздействия по напряжению Еп, но и возмущающих воздействий по току нагрузки Iн, температуре окружающей среды и др., однако они не получили широкого применения. Наихудшей стабильностью обладают ИВЭП, выполненные по схеме рисунка 2.3, из-за отсутствия какой-либо обратной связи при воздействии дестабилизирующих факторов. Схема ИВЭП рисунок 2.4, как указывалось выше, принципиально может иметь высокую стабильность выходного напряжения, однако при отсутствии инвариантных или компенсационных каналов регулирования ее показатели идентичны схеме рисунка 2. 3.

Применение схем ИВЭП рисунка 2.2 предпочтительно при относительно высоких напряжениях Uн, во много раз превышающих падение напряжения на силовых ключах 3, так как получение требуемой функции 1, учитывающей изменения падения напряжения на этих ключах при колебаниях тока нагрузки и температуры окружающей среды, затруднительно.

Таким образом, в тех случаях, когда выходное напряжение ИВЭП невелико (не превышает нескольких вольт) и имеются значительные изменения тока нагрузки, температуры окружающей среды и напряжения Еп, необходимо использовать ИВЭП, выполненные по структурным схемам (см. рисунки 2.2,2.4,2.5) с компенсационным принципом регулирования.

Схема рисунка 2.2 может применяться также при удовлетворении компромиссных требований по стабильности выходного напряжения и простоте схемы управления ИВЭП. Если первичное напряжение стабильно и изменения падения напряжения на внутренних элементах СК заметно не влияют на точность поддержания напряжения Uн, применяют более простые ИВЭП (рисунки 2. 3 и 2.5).

Приведенные схемы ИВЭП могут использоваться в широком диапазоне первичных напряжений – от единицы до сотен вольт. Однако, для высоких первичных напряжений целесообразной может оказаться схема ИВЭП рисунка 2.4, в которой двойное преобразование электрической энергии дает возможность понизить импульсным стабилизатором СКI высокое первичное напряжение Еп постоянного тока до Еп1 и использовать его в качестве первичного для импульсного преобразователя СК2. В этом случае преобразователь СК2, как более сложное по сравнению с СКI устройство работает в облегченных электрических режимах, что может обеспечить уменьшение количества элементов, повышение надежности работы и улучшение энергетических показателей преобразователя.

Крупногабаритными, наиболее материалоемкими и трудно поддающимися микроминиатюризации элементами являются дроссели и трансформаторы. В схемах ИВЭП необходимо стремиться к минимизации их числа. В схеме ИВЭП рисунка 2.4 для двойного преобразования энергии требуются два силовых каскада с принципиально необходимыми индуктивными элементами.

Блочное наращивание выходной мощности требуется для построения различных систем электропитания, которые должны выполняться на базе однотипных, унифицированных ИВЭП. В этом случае разработка и изготовление ИВЭП, питающих электронную аппаратуру, целесообразно при использовании однотипных блоков с возможностью параллельного соединения для получения требуемой суммарной выходной мощности. В итоге возможно получение экономического эффекта. В этом случае одной из основных целей разработки ИВЭП является выбор дискретного значения мощности единичного блока, который должен удовлетворять всем технико-экономическим требованиям имеющихся систем электропитания. Другим преимуществом блочных (многофазных) преобразователей является уменьшение суммарной емкости конденсаторов выходных фильтров, что объясняется распределением во времени процессов переноса энергии на выход отдельных силовых каскадов. Кроме того, многофазные преобразователи позволяют реализовать различные варианты сложных систем электропитания, состоящие их одинаковых унифицированных блоков.

На рисунке 2.6 приведена схема ИВЭП, содержащего нерегулируемый сетевой выпрямитель 1 и конвертор выпрямленного напряжения сети. Конвертор состоит из регулируемого инвертора 2, работающего на повышенной частоте (обычно 20…100 кГц), трансформаторного выпрямительного узла 3 и высокочастотного фильтра 4. Для стабилизации выходного напряжения используется схема управления 5.

Рисунок 2.6 — Структурная схема импульсного ИВЭП с регулируемым инвертором

В схеме управления сравнивается выходное напряжение Uн и напряжение опорного источника 6. Разность этих напряжений, называется сигналом ошибки, используется для регулировки частоты регулируемого инвертора (f = var) или скважности импульсов при их неизменной частоте (g = var) . Конвертор, выполненный на базе однотактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным однотактным конвертором — ТОК. Конвертор, выполненный на базе двухтактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным двухтактным конвертором — ТДК.

На рисунке 2.7 приведена схема ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем 1 и нерегулируемым инвертором 2. Остальные узлы этой схемы имеют то же назначение, что и предыдущих схемах. Отличительной особенностью этой структурной схемы является использование нерегулируемого инвертора (НИ). Стабилизация выходного напряжения в этой схеме обеспечивается за счет регулирования напряжения на входе конвертора с помощью 1, который обычно выполняется на тиристорах с фазовым управлением.

Рисунок 2.7 — Структурная схемы импульсного ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем

Для схемы, приведенной на рисунке 2.6 характерным является то, что инвертор должен быть рассчитан на работу от выпрямленного напряжения сети, которое имеет максимальное значение около 311В для однофазной сети и около 530 В для трехфазной сети. Кроме того, изменение частоты или скважности импульсов инвертора 2 приводит к ухудшению фильтрации выходного напряжения. В результате ухудшаются массогабаритные показатели фильтра 4, так как его параметры рассчитываются исходя из минимального коэффициента заполнения импульсов g min при условии непрерывности тока в нагрузке.

Положительными свойствами схемы рисунка 2.7 является совмещение функции преобразования напряжения и стабилизации выходного напряжения Uн. Это позволяет упростить схему управления 5, так как уменьшается число управляемых ключей. Кроме того, наличие паузы позволяет устранить сквозные токи в ключах инвертора. Достоинством схемы является также возможность обеспечить работу инвертора при пониженном входном напряжении (обычно его снижают в 1,5…2 раза, то есть до 130…200В). Это существенно облегчает работу ключей транзисторного инвертора. Другим достоинством этой схемы является то, что инвертор работает с максимальным коэффициентом заполнения g max импульсов, что существенно упрощает фильтрацию выходного напряжения. Исследование кпд и удельной мощности обоих схем показало, что эти показатели у них отличаются незначительно.

Схемы многоканальных ИВЭП с нерегулируемым выпрямителем 1 приведены на рисунках 2.8 и 2.9. В схеме на рисунке 2.8, используется нерегулируемый инвертор 2 и индивидуальные стабилизаторы 5…7 , в отдельных каналах. Такая структурная схема может использоваться при небольшом количестве выходных каналов. При увеличении числа выходных каналов схема становится неэкономичной.

Рисунок 2.8 — Структурная схема многоканального ИВЭП с индивидуальной стабилизацией

Схема, изображенная на рисунке 2.9, работает на принципе групповой стабилизации выходного напряжения. Для этого в ней применяется регулируемый инвертор, который управляется напряжением наиболее мощного из каналов. Стабилизация выходных напряжений в других каналах в этом случае ухудшается, так они не охвачены отрицательной обратной связью. Для улучшения стабилизации напряжения в других каналах, можно использовать дополнительные индивидуальные стабилизаторы, так же, как в схеме рисунка 2.8.

Рисунок 2.9 — Структурная схема ИВЭП с групповой стабилизацией

Импульсный блок питания — основные принципы работы ИБП. Проектирование импульсного источника питания с активным ККМ. Эпизод I

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: , преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

задающий генератор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

оптопара;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

фильтрующие конденсаторы;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

выходные разъемы.

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

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

Что это такое?

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

Принцип работы импульсного блока питания

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

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

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

бестрансформаторные;
трансформаторные.

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

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

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

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

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

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

Схема БП

В схему самой распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

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

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

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

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

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

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

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

Выходной импульсный трансформатор использует одинаковый с классическим принцип преобразования. Исключением является работа на повышенной частоте. Как следствие, высокочастотные трансформаторы при одинаковых передаваемых мощностях имеют меньшие габариты.

Напряжение со вторичной обмотки (их может быть несколько) поступает на выходные выпрямители. В отличие от входного выпрямителя, диоды выпрямителя вторичной цепи должны иметь повышенную рабочую частоту. Наилучшим образом на данном участке схемы работают диоды Шоттки. Их преимущества перед обычными:

высокая рабочая частота;
сниженная емкость p-n перехода;
малое падение напряжения.

Назначение выходного фильтра импульсного блока питания – снижение до необходимого минимума пульсаций выпрямленного выходного напряжения. Поскольку частота пульсаций намного выше, чем у сетевого напряжения, то нет необходимости в больших значениях емкости конденсаторов и индуктивности у катушек.

Сфера применения импульсного блока питания

Импульсные преобразователи напряжения применяются в большинстве случаев вместо традиционных трансформаторных с полупроводниковыми стабилизаторами. При одинаковой мощности инверторы отличаются меньшими габаритными размерами и массой, высокой надежностью, а главное – более высоким КПД и возможностью работать в широком диапазоне входного напряжения. А при сравнимых габаритах максимальная мощность инвертора в несколько раз выше.

В такой области, как преобразование постоянного напряжения, импульсные источники практически не имеют альтернативной замены и способны работать не только по понижению напряжения, но и вырабатывать повышенное, организовывать смену полярности. Высокая частота преобразования существенно облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

Малогабаритные инверторы на специализированных интегральных микросхемах используются в качестве зарядных устройств всевозможных гаджетов, а их надежность такова, что срок службы зарядного блока может превосходить время работоспособности мобильного устройства в несколько раз.

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

Как сделать импульсный блок питания своими руками

Инверторы, особенно мощные, имеют сложную схемотехнику и доступны для повторения только опытным радиолюбителям. Для самостоятельной сборки сетевых источников питания можно рекомендовать несложные маломощные схемы с использованием специализированных микросхем ШИМ-контроллеров. Такие ИМС имеют малое количество элементов обвязки и имеют отработанные типовые схемы включения, которые практически не требуют регулировки и настройки.

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

Технический прогресс не стоит на месте и уже сегодня на смену блокам питания трансформаторного типа пришли импульсные блоки. Причин тому огромное множество, но самые главные – это:

Простота и дешевизна при производстве;
Легкость при эксплуатации;
Компактность и значительно комфортные габаритные размеры.

Ознакомиться с руководством как выбрать детектор скрытой проводки и как им пользоваться .

С технической точки зрения импульсный блок питания – это устройство, которое занимается выпрямлением сетевого напряжения и после этого формирует из него импульс с частотной характеристикой в 10 кГц. Стоит отметить, что КПД данного технического устройства достигает отметки в 80%.

Принцип работы

Фактически весь принцип работы импульсного блока питания сводится к тому, что устройство данного типа направлена на то, чтобы выпрямить напряжение, которое поступает на него при подключении к сети и затем образовать рабочий импульс, за счет которого и может функционировать данный электрический агрегат.

Многие задаются вопросом, в чем главные отличия импульсного устройства от обычного? Все сводится к том, что оно имеет повышенные технические характеристики и меньшие габаритные размеры. Также импульсный блок дает больше энергии, чем стандартный его вариант.

Виды

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

Простой на IR2153 – эта модификация является самой востребованной среди отечественного потребителя;
На TL494
На UC3842
Из энергосберегающей лампы – является чем-то вроде модифицированного технического устройства гибридного типа;
Для усилителя – обладает высокими техническими характеристиками;
Из электронного балласта – по названию ясно, что прибор основан на работе баланса электронного типа. Читайте обзор какие бывают светодиодные лампы для дома и как выбрать .
Регулируемый – данный тип механического агрегата можно настраивать и регулировать собственными силами;
Для УМЗЧ – имеет узкую специфику применения;
Мощный – отличается высокими мощностными характеристиками;
На 200 вольт – данный тип устройства рассчитан на максимальное напряжение в 220В;
Сетевой 150 Вт – работает только от сети, максимальная мощность – 150 Вт;
12 В – устройство технического характера, которое способно нормально функционировать при напряжении в 12 В;
24 В – нормальная работа аппарата возможна только при 24 В
Мостовой – в ходе сборки применялась мостовая схема соединения;
Для лампового усилителя – все технические характеристики предназначены для работы с ламповым усилителем;
Для светодиодов –обладает высокой чувствительностью, используют для работы со светодиодами;
Двухполярный имеет двоякую полярность, устройство отвечает высоким стандартам качества;
Обратноходовый – зациклен на работе обратного хода, имеет высокие показатели мощности и напряжения.

Схема

Все блоки питания импульсного типа в зависимости от сферы эксплуатации и технических особенностей имеют различные схемы:

12 В – является стандартным вариантом для сборки системы данного типа;
2000 Вт – данная схема предназначено только для высоко мощностных технических устройств;
Для шуруповерта 18 В – схема специфичная, при сборке требует от мастера особых знаний;
Для лампового усилителя – в данном случае речь идет о простом схематическом исполнении, которое ко всему прочему учитывает выход на ламповый усилитель;
Для ноутбуков – предполагает наличие особой системы защиты от перепадов напряжения;
На Top 200 – технические характеристики устройства будут равняться 40 В и 3 А. Читайте об устройстве генератора переменного тока .
На TL494 схема – учитывают ток ограничения и регулировку входного напряжения;
На UC3845 – собрать блок импульсного питания по данной схеме не составит и труда;
импульсный блок питания на ir2153 схема – применима для усилителей низкой частотности;
На микросхеме LNK364PN – реализован на основе микро схематического исполнения UC 3842;
На полевом транзисторе уже из названия понятно, что данная схема применима для полевого транзистора;
Схема прямоходового импульсного блока питания – имеет простое исполнение, не требует особых навыков при сборке.

Ремонт

В статье речь об импульсных блоках питания (далее ИБП), которые сегодня получили самое широкое применение во всех современных радиоэлектронных устройствах и самоделках.
Основной принцип заложенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Герц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.
Преобразование осуществляется с помощью мощных транзисторов, работающих в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый — выполняется по схеме импульсного автогенератора и второй — с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).
Поскольку частота преобразователя обычно выбирается в среднем от 20 до 50 килогерц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно минимизируются, что является очень важным фактором для современной аппаратуры.
Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением смотрите ниже:

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП.
Единственное что для этого необходимо — схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ — это широтно-импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора T1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения — процесс обратный.
В ИБП используются 2 принципа реализации цепей слежения — «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный способ называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.
С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.
В заключении темы хотелось бы более подробно описать преимущества ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП, так как меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 85 %. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.
К минусам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым самим ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5 вольт) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 вольт. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

Таблица 2.1 – Сравнение импульсных и линейных источников

Рисунок 2.1 — Структурная схема импульсного компенсационного ИВЭП

Импульсы, синхронизирующие работу ИВЭП, вырабатываются модулятором 1. Выходное напряжение постоянного тока Uн подается на вход схемы сравнения 4, где сравнивается с опорным напряжением Uоп. Сигнал рассогласования (ошибки) поступает на вход модулятора, который задает временные параметры синхронизирующих импульсов. Увеличение или уменьшение напряжения Uн приводит к изменению сигнала рассогласования на выходе 4 и временных параметров синхронизирующих импульсов на входе 1, что вызывает восстановление прежнего значения напряжения Uн, т. е. его стабилизацию. Таким образом, ИВЭП, выполненный по схеме рисунка 2.1 является стабилизирующим импульсным преобразователем напряжения компенсационного типа, поддерживающим неизменность выходного напряжения при изменениях выходного тока Iн, входного напряжения Еп, температуры окружающей среды и воздействия других дестабилизирующих факторов.

Рисунок 2.2 — Структурная схема импульсного параметрического ИВЭП

На рисунке 2. 2 генератор, обеспечивающий подобную функциональную зависимость, обозначен 1. Здесь штриховой линией показана связь Еп с управляющим входом генератора для обеспечения закона инвариантности Uн от Еп.

Рисунок 2.3 — Структурная схема нестабилизированного ИВЭП

Рисунок 2.4 — Структурная схема ИВЭП двойного преобразования

Рисунок 2.5 — Структурная схема модульного ИВЭП

Наибольшей стабильностью выходного напряжения обладает ИВЭП, реализованный по схеме рисунка 2.1, так как обратная связь, воздейстующая на временные параметры управляющих импульсов, берётся непосредственно с выхода ИЭВП. Высокой стабильностью выходного напряжения обладает и схема ИВЭП, приведенная на рисунке 2. 4, если обратная связь на СС берётся с выхода — Uн. Несколько худшей стабильностью, но большей простой схемы управления обладает ИВЭП, выполненные по схеме рисунка 2.2. Однако, здесь не учитывается изменение падения напряжения на индуктивных и активных элементах 3 при изменении тока нагрузки Iн. Дестабилизирующие изменения напряжения Еп могут быть скомпенсированы введением дополнительной, прямой связи (штриховая линия). Бывают ИВЭП с инвариантной стабилизацией не только возмущающего воздействия по напряжению Еп, но и возмущающих воздействий по току нагрузки Iн, температуре окружающей среды и др., однако они не получили широкого применения. Наихудшей стабильностью обладают ИВЭП, выполненные по схеме рисунка 2.3, из-за отсутствия какой-либо обратной связи при воздействии дестабилизирующих факторов. Схема ИВЭП рисунок 2.4, как указывалось выше, принципиально может иметь высокую стабильность выходного напряжения, однако при отсутствии инвариантных или компенсационных каналов регулирования ее показатели идентичны схеме рисунка 2. 3.

Рисунок 2.6 — Структурная схема импульсного ИВЭП с регулируемым инвертором

Рисунок 2.7 — Структурная схемы импульсного ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем

Рисунок 2.8 — Структурная схема многоканального ИВЭП с индивидуальной стабилизацией

Рисунок 2.9 — Структурная схема ИВЭП с групповой стабилизацией

Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике / Хабр

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Компоненты входного фильтра

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

Полномостовой выпрямитель

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

?

+

, а переменный ток входит через два центральных контакта, которые

постоянно меняют свою полярность

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

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

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

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

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

Переключатель 115/230 В

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

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

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

никаких

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

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

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

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

switching transistor

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В БП есть ещё вторая цепь — для резервного питания

⁹

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

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

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

¹⁰

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

блоке питания 1940-х годов

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

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

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

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

Этикетка на блоке питания

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Блок питания стиральной машины Индезит, Самсунг, LG, Аристон

Блок питания обеспечивает подачу напряжения в 5 вольт процессору. Его трансформатор расположен за входной колодкой. Для ремонта его достаточно легко достать.

LG и Samsung

С 2009 года машины LG и Samsung начали производиться с участием корпорации Flextronics. В блоках питания стиральных машин LG и Самсунг используется понижающий трансформатор с первичной обмоткой 230 вольт и вторичной – 12 вольт.

Блок управления

Принцип получения 5 вольт у машин Самсунг и LG:

вторая обмотка снимает 12 вольт AC;
12 вольт DC снимаются с выпрямителя, образованного диодным мостом;
вторичная обмотка заземлена с двух сторон с помощью двух резисторов 33 к;
в конце диодного моста расположен диод, он не участвует в процессе преобразования напряжения;
в RC-цепи стоит конденсатор 2,2 мФ, фильтр этой цепи снижает пульсации;
12 вольт преобразуются в 5 через стабилизатор L7805;
завершает цепочку фильтр с электролитическим конденсатором 470 мкФ.

Блок питания

Выходящие 5 вольт обеспечивают работу стиральной машины Самсунг и LG.

Блок питания, к сожалению, требует ремонта или замены чаще, чем того хотелось бы. Его необходимо проверить первым, если стиральная машина Самсунг или LG отказывается включаться. Тестируем:

Параметр	Норма	Неисправная деталь
Напряжение, выпускаемое второй обмоткой трансформатора.	12 вольт	Трансформатор
DC при поступлении в стабилизатор.	12 вольт	Конденсатор 2,2 мФ или выпрямитель
DC на выходе из стабилизатора.	5 вольт	Микросхема стабилизатора L7805 или конденсатор 470 мкФ

Ariston и Indesit

Используют импульсные блоки питания. Они имеют меньший размер по сравнению с блоками питания LG и Samsung. Несмотря на то, что производятся они, как правило, на базе Flextronics, схема у Ariston и Indesit принципиально отличается.

Импульсный источник питания электронных модулей стиральных машин

У машины Индезит/Аристон в начале цепи такого блока находится варистор. Далее напряжение проходит через конденсаторы, резисторы, выпрямитель. После выпрямления оно нарезается импульсами.

Визуально неисправность будет находиться на плате или внутри микросборки. Это могут быть транзисторы, симисторы или тиристоры. Ремонт может также потребоваться защите от коллизий.

Indesit

Изучение микросхемы TNY 264 PN, главной детали импульсного блока у Индезит/Аристон, потребует значительного времени. Суть ее работы заключается в следующем:

первая обмотка заземлена через микросхему;
импульсы генерируются встроенным импульсным источником питания 5,8 вольт;
вторичные обмотки у трансформатора 12 и 5 вольт DC;
вывод BP обеспечивает бесперебойное питание встроенному импульсному источнику;
вывод EN/UV разрешает вход и отслеживает нестабильность;
S – для заземления внутренних полупроводников;
HV RTN замыкает напряжение по первой обмотке.

Такая микросхема защищена от перегрузки, самостоятельно подает импульсы трансформатору и тестирует выходы.

Модуль стиральной машины

В случае неисправности имульсного блока питания машины Индезит/Аристон потребуется тщательное изучение всех участков микросхем. Целесообразно найти их описания. Схемы блоков питания стиральных машин, как правило, доступны на сайтах производителей или их сервисной технической поддержки, в нашем случае Ariston и Indesit. Зачастую схемы отдельных моделей можно найти по производителю Flextronics.

Перед демонтажем отдельных деталей стиральной машины полезным будет сделать фото крупным планом, чтобы впоследствии не возникло вопросов, откуда взялись те или иные части, и куда что вставлять.

Блок управления

Внешне блок питания можно определить по подведенному питанию и трансформатору (или двум). Он отсоединяется. При работе с электроникой стиральной машины по возможности используйте антистатические аксессуары и одежду (перчатки, напульсники, сапоги).

Структура и принцип работы источников питания Мегапром

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

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

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

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

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

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

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

Высокоэффективные фильтры выходной цепи для фильтрации и сглаживания помех преобразователя.

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

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

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

Принцип импульсного источника питания

Введение

Это видео показывает нам, как работает импульсный источник питания, со схемой, объяснением, примером и модификациями.

Каталог

Ⅰ Принцип импульсного источника питания

1.1 Базовый Принцип импульсного источника питания

Импульсный источник питания — это источник питания, в котором используется современная технология силовой электроники для управления соотношением и время выключения переключающего транзистора для поддержания стабильного выходного напряжения.Простая структура показана на рисунке 1.

Рисунок 1 . B B ASIC C C Ircuit Коммутация P OUVER S upbly

Переключающий транзистор VT включен последовательно между входным напряжением VI и выходным напряжением Vo. При поступлении на базу транзистора ТН коммутационного импульсного сигнала ТН периодически переключается, т. е. попеременно включается и выключается по очереди.Считая ТН идеальным ключом, падение напряжения между базой и эмиттером при насыщении ТН примерно равно нулю, а входное напряжение Vi подается на выход через ТН; Наоборот, во время отключения ТН выход равен нулю. После периодического переключения ТН на выходе получают импульсное напряжение, а по схеме фильтра — среднее постоянное напряжение. Выходное напряжение соответствует формуле 1:

(1)

T _на — время включения, T — период переключения, а D — рабочий цикл.Видно, что импульсный регулируемый источник питания может управлять значением выходного постоянного напряжения, изменяя коэффициент заполнения импульса переключения, то есть время включения.

1.2 Рабочий процесс импульсного источника питания

Импульсный источник питания обычно состоит из шести частей, как показано на рис. 2.

Первая часть — это входная цепь, содержащая фильтр нижних частот и одноступенчатое выпрямление. Vi получается после того, как напряжение переменного тока 220 В фильтруется фильтром нижних частот и мостовым выпрямлением.Это напряжение подается на вторую часть для коррекции коэффициента мощности. Цель состоит в том, чтобы улучшить коэффициент мощности. Форма состоит в том, чтобы поддерживать входной ток в фазе с входным напряжением.

Третья часть — это преобразование энергии, которое осуществляется с помощью электронного переключателя и высокочастотного трансформатора. Он преобразует напряжение постоянного тока с высоким коэффициентом мощности в высокочастотное прямоугольное импульсное напряжение, которое соответствует проектным требованиям. Четвертая часть представляет собой выходную цепь, которая используется для выпрямления и фильтрации высокочастотного импульсного напряжения прямоугольной формы в выходное напряжение постоянного тока.Пятая часть – схема управления. После того, как выходное напряжение делится и дискретизируется, оно сравнивается с опорным напряжением схемы и усиливается.

Шестая часть представляет собой генератор колебаний частоты, который генерирует сигнал высокочастотного диапазона волн, который накладывается на сигнал управления для выполнения широтно-импульсной модуляции для достижения регулируемой ширины импульса. При высокочастотных колебаниях происходит преобразование мощности, поэтому суть импульсного источника питания заключается в преобразовании мощности.

Рис. 2. Принцип работы блок-схемы импульсного источника питания

1.3 Метод модуляции импульсного источника питания

Методы модуляции схемы импульсного источника питания в основном включают три типа: PWM, PFM и PSM. Частота переключения режима широтно-импульсной модуляции (ШИМ) постоянна. Изменяя ширину импульса включения для изменения рабочего цикла, достигается контроль выходной энергии, что называется расширением фиксированной частоты; ширина импульса в режиме частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) постоянна. Регулируя частоту переключения, его коэффициент заполнения изменяется, чтобы реализовать управление выходной энергией, что называется модуляцией с фиксированной шириной; ширина импульса в режиме модуляции с пропуском импульсов постоянна, а выходная энергия регулируется выборочно, пропуская определенные рабочие циклы.

1.3.1 Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Режим модуляции PWM является наиболее часто используемым методом управления импульсным источником питания. Сигнал обратной связи со стороны нагрузки сравнивается с внутренне генерируемой пилообразной волной, и для управления переключающей трубкой выводится расширенный прямоугольный сигнал постоянной частоты, а время включения переключающей трубки регулируется в режиме реального времени в соответствии с состояние нагрузки, чтобы стабилизировать выходное напряжение.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 3.

Рисунок 3.W схема P схема D диаграмма из PWM

7

В настоящее время режим управления ШИМ наиболее часто используется в импульсном источнике питания и имеет следующие преимущества: высокая эффективность в случае большой нагрузки, хорошая скорость регулировки напряжения, высокая линейность, малая пульсация на выходе и подходит для режима контроля тока или напряжения. Но у него есть и следующие недостатки: слабая способность модуляции входного напряжения, плохие частотные характеристики, снижение КПД при малой нагрузке.

1.3.2 Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)

PFM — метод модуляции, часто используемый в импульсных источниках питания. Путем сравнения сигнала обратной связи со стороны нагрузки с эталонным сигналом выходной сигнал ошибки регулирует рабочую частоту, а затем выводит прямоугольный сигнал постоянной ширины и переменной частоты для управления переключающей трубкой и регулирует время включения переключающая трубка в режиме реального времени в соответствии с состоянием нагрузки, тем самым стабилизируя выходное напряжение.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 4.

Рисунок 4 . Принцип работы PFM

1.3.3 Пропуск импульсов Модуляция n(PSM)

PSM — это новый метод управления в импульсных источниках питания, который называется импульсной кросс-цикловой модуляцией. Сигнал обратной связи конца нагрузки преобразуется в цифровой уровень, и уровень сигнала обратной связи определяется по переднему фронту тактового сигнала, чтобы определить, следует ли работать в тактовом цикле, а время включения переключающей трубки регулируется для стабилизации. выходное напряжение.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Принцип работы PSM

В настоящее время режим управления PSM используется для переключения источников питания и имеет следующие преимущества: высокая скорость при небольшой нагрузке, высокая рабочая частота, хорошие частотные характеристики и меньшая частота переключения силовых ламп, что подходит для небольших ИС управления питанием. Однако он также имеет следующие недостатки: большие пульсации на выходе и слабые возможности регулировки входного напряжения.

1.4 Метод управления импульсным источником питания

Импульсные источники питания, которые мы обычно используем, основаны на режиме ШИМ, поэтому мы сосредоточимся на технологии управления в режиме ШИМ. Существует два основных типа технологии ШИМ-управления: один — это технология управления ШИМ в режиме напряжения, а другой — технология управления ШИМ в режиме тока.

1.4.1 ШИМ-контроллер с режимом напряжения

Импульсный источник питания изначально был основан на технологии ШИМ в режиме напряжения.Основной принцип работы показан на рис. 6. Выходное напряжение Vo сравнивается с опорным напряжением для получения сигнала ошибки VE. Это напряжение ошибки сравнивается с пилообразным сигналом, генерируемым генератором пилообразной формы. Компаратор ШИМ выдает сигнал возбуждения прямоугольной формы с изменением коэффициента заполнения. Это принцип работы технологии управления PWM в режиме напряжения.

Поскольку эта система представляет собой систему управления с одним контуром, ее самым большим недостатком является отсутствие сигнала обратной связи по току.Поскольку ток импульсного источника питания протекает через дроссель, соответствующий сигнал напряжения имеет некоторую задержку. Однако для регулируемого источника питания необходимо постоянно регулировать входной ток, чтобы адаптироваться к изменению входного напряжения и требованиям нагрузки, тем самым достигая цели стабилизации выходного напряжения. Следовательно, недостаточно использовать метод выборки выходного напряжения, потому что реакция регулирования напряжения медленная. Даже при изменении сильного сигнала трубка переключателя мощности повреждается из-за колебаний, что является самой большой слабостью технологии управления PWM в режиме напряжения.

Рис. 6. Принцип работы технологии ШИМ-управления по напряжению

1.4.2 ШИМ-контроллер текущего режима

Технология ШИМ-управления по току была разработана из-за недостатков технологии ШИМ-управления по напряжению. Так называемое ШИМ-управление в режиме тока предназначено для непосредственного сравнения выходного сигнала обнаружения тока дросселя с выходным сигналом усилителя ошибки на входе компаратора ШИМ, чтобы реализовать управление рабочим циклом выходного импульса, чтобы пиковый ток выходной индуктор следует за изменением напряжения ошибки. Этот метод управления может эффективно улучшить скорость регулирования напряжения и тока импульсного источника питания, а также может улучшить переходную характеристику всей системы. Принцип работы технологии ШИМ-управления в текущем режиме показан на рисунке 7.

Текущий режим Технология управления PWM в основном делится на технологию управления пиковым током и технологию управления средним током. Две технологии управления обнаруживают пиковое значение и среднее значение изменения тока в течение одного периода проводимости и предоставляют обратную связь.

Технология управления пиковым током: управление режимом пикового тока напрямую управляет током катушки индуктивности на стороне пикового выхода, а затем косвенно контролирует ширину импульса ШИМ. Пиковый ток катушки индуктивности легко определить, и он логически согласуется с изменением среднего тока катушки индуктивности. Однако пиковый ток индуктора не может находиться во взаимно однозначном соответствии со средним током индуктора, потому что один и тот же пиковый ток индуктора может соответствовать разным средним токам индуктора с разными рабочими циклами и единственным фактором, определяющим значение выходного напряжения. — значение среднего тока индуктора.

Когда коэффициент заполнения системы ШИМ D> 50%, режим управления режимом пикового тока с фиксированной частотой имеет присущую разомкнутому контуру нестабильность, и необходимо ввести соответствующую компенсацию наклона, чтобы устранить возмущение среднего тока индуктора различными рабочими циклами и чтобы контролируемый пиковый ток индуктора окончательно сошелся со средним током индуктора. Когда наклон приложенного сигнала компенсации наклона увеличивается до определенной степени, управление в режиме пикового тока преобразуется в управление в режиме напряжения.

Поскольку сигнал компенсации наклона полностью заменяется треугольной волной в колебательном контуре, он становится управлением режимом напряжения, но сигнал тока в это время можно рассматривать как сигнал прямой связи по току. Режим управления пиковым током представляет собой систему управления с двойным замкнутым контуром (внешний контур — это контур напряжения, а внутренний контур — контур тока), а внутренний контур тока мгновенно и быстро срабатывает в соответствии с импульсом за импульсом. В двойном контуре управления внутренний контур тока отвечает только за динамическое изменение выходного индуктора, поэтому внешний контур напряжения должен контролировать только выходное напряжение и не должен управлять схемой накопления энергии. Следовательно, управление в режиме пикового тока имеет гораздо большую полосу пропускания, чем управление в режиме напряжения.

Рис. 7. Принцип работы технологии ШИМ-управления токовым режимом

Метод управления средним током: для управления средним током требуется обнаружение тока дросселя, сигнала обнаружения тока дросселя и заданного VE.После сравнения управляющий сигнал VC генерируется регулятором тока и сравнивается с сигналом пилообразной модуляции для генерации ШИМ-импульса. Регуляторы тока обычно используют схему компенсации PI-типа и отфильтровывают высокочастотные компоненты в дискретизированном сигнале.

Сравнение двух технологий управления током: технология управления пиковым током удобна и быстра, но требует компенсации стабильности; Технология управления типом среднего тока характеризуется стабильностью и надежностью, но скорость срабатывания ниже, а управление сложнее. Поэтому в практических приложениях режим управления пиковым током более распространен, чем режим управления средним током.

1.5 W Оркинг M ODE S Witching P OUVER S УЗвы,

Возьмите преобразователь Flubback, используемый в этом дизайне в качестве примера , так называемый обратный ход означает, что первичная полярность трансформатора противоположна вторичной полярности, как показано на рисунке 8.Он состоит из коммутационной лампы VT, выпрямительного диода D1, фильтрующего конденсатора С и разделительного трансформатора. Если первичный верхний вывод трансформатора положительный, вторичный верхний вывод отрицательный, то коммутационная трубка VT работает в режиме ШИМ. Обратноходовой преобразователь имеет высокий КПД, простую схему и может обеспечивать несколько выходов, поэтому он широко используется.

Рисунок 8 . B asic C ircuit из Flyback C

3 инвертор

Обратноходовой ШИМ-преобразователь имеет два режима: непрерывный ток и прерывистый ток.Для тока, протекающего через коммутационную трубку первичной обмотки W1, его ток не может быть непрерывным, так как ток коммутационной трубки VT после отключения обязательно равен нулю.

Но в это время ток неизбежно возникает во вторичной обмотке W2. Для обратноходового преобразователя непрерывный ток означает, что суммарный ток двух обмоток преобразователя не равен нулю в течение одного цикла переключения, а прерывание тока означает, что синтетическая ампула равна нулю в течение периода выключения коммутационной трубки VT.Когда ток непрерывен, обратноходовой преобразователь имеет два режима переключения, как показано на (а) и (б) на рисунке 9; а когда ток прерывается, обратноходовой преобразователь имеет три режима переключения, как показано на (a) (b) (c) рисунка 9.

Рис. 9. Эквивалентная схема в различных режимах переключения

1.5.1 Принцип работы обратноходового преобразователя при непрерывном токе

Как показано на рисунке 9(a), при t=0 переключающий транзистор VT включается, и напряжение питания Vi подается на первичную обмотку трансформатора W ₁ .В это время наведенное напряжение во вторичной обмотке W ₂ отключает диод D ₁ , и ток нагрузки поступает от фильтрующего конденсатора С. В этот момент вторичная обмотка трансформатора разомкнута, только первичная обмотка работает, что эквивалентно индуктору. Индуктивность L ₁ , первичный ток L _p линейно возрастает от минимального значения I _Pmin , а скорость увеличения составляет:

При t=T _на ток I _p достигает максимума I _Pmax

90 (1-03)

При этом сердечник трансформатора намагничивается и его магнитный поток Φ также линейно увеличивается. Приращение потока Φ:

(1-4)

Как показано на рисунке 9(b), когда t=T _на , переключающая лампа VT выключается, первичная обмотка размыкается, а наведенная ЭДС вторичной обмотки реверсируется для включения диода D ₁ . Энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, высвобождается через диод D ₁ , заряжая конденсатор С с одной стороны и питая нагрузку с другой стороны.В этот момент работает только вторичная обмотка трансформатора, эквивалентная индуктору, и ее индуктивность составляет L ₂ . Напряжение на вторичной обмотке V _o , вторичный ток I _s линейно падает от максимального I _Smin и скорость его спада составляет:

(1-5)

При t = T ток I _с достигает минимума I _Smin

(1-6)

Во время этого процесса сердечник трансформатора размагничивается, и его магнитный поток Φ также линейно уменьшается. Величина уменьшения магнитного потока Φ составляет:

1.5.2 Basic R 120003 R 120004 F Byback C C C W REB C URRENT I S C Ontimese

В режиме регулируемого напряжения величина увеличения потока проходного сердечника обязательно равна величине уменьшения при выключении ключа ТН, то есть .Из формул (1-4) и (1-7) мы можем получить:

(1-8)

В формуле – это соотношение витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Когда K ₁₂ =1,

(1-9)

Напряжение, которому подвергается коммутационная трубка ТН при ее выключении, представляет собой сумму Vi и наведенной ЭДС в первичной обмотке W1, то есть

При постоянном напряжении источника питания V _и напряжение переключающего транзистора VT связано с коэффициентом заполнения D, поэтому значение максимального коэффициента заполнения D _max должно быть ограничено.Напряжение диода D ₁ равно сумме выходного напряжения V и входного напряжения Vi, преобразованного во вторичное напряжение:

Ток нагрузки Io представляет собой среднее значение тока, протекающего через диод D1:

(1-12)

В соответствии с принципом работы трансформатора установлены следующие две формулы.

(1-03)

Из формулы (1-3) и формулы (1-12) до (1-14) мы можем получить:

(1-15)

(1-16)

I _Pmax и I _Smax соответственно максимальные значения тока, протекающего через переключающую трубку VT и диод D ₁ .

1.5.3 Принцип работы и основные взаимосвязи обратноходового преобразователя при прерывании тока

Формула (1-9) по-прежнему работает, если критический ток непрерывен. В это время максимальный ток первичной обмотки равен I _Pmax , тогда и ток нагрузки равен

(1-17)

Критический непрерывный ток нагрузки –

(1-18)

Когда D=0.5, I _oG достигает своего максимума

90 (1-009)

Тогда формула (1-18) может быть записана как:

(1-20)

Формула (1-20) представляет собой критическую непрерывную границу тока индуктора.

Когда ток дросселя прерывается, относится не только к рабочему циклу D, но и к значению тока нагрузки I _o .Предположим, что является относительным временем свободного хода I _с , мы можем получить , поскольку величина увеличения и уменьшения потока в сердечнике равна одному циклу переключения. Итак, , и , , тогда:

(1-21)

Формула (1-21) показывает, что при прерывании тока выходное напряжение связано не только с коэффициентом заполнения D, но и с величиной тока нагрузки I _o . Когда рабочий цикл D постоянен, уменьшение тока нагрузки I _или может привести к увеличению выходного напряжения V _или.

В случае режима прерывания тока энергия, накопленная в первичной катушке индуктивности, зависит от пикового тока:

(1-22)

Энергия подается один раз за цикл,

Эта формула говорит нам, что после того, как входное напряжение будет фиксированным, только T может увеличить выходную мощность за счет уменьшения частоты переключения или уменьшения индуктивности.А если еще и частота коммутации выбрана, мощность можно увеличить только за счет уменьшения индуктивности. Однако реальная индуктивность имеет минимальное значение, а обратноходовой преобразователь, работающий в прерывистом режиме, имеет максимальное ограничение выходной мощности, как правило, менее 50 Вт.

1.6 Резюме

В этой главе в основном представлены основной принцип работы и рабочий процесс импульсного источника питания. Он также вводит режим модуляции импульсного источника питания.В настоящее время режим управления ШИМ наиболее часто используется в импульсном источнике питания. Он имеет следующие преимущества: высокая эффективность при большой нагрузке, хорошее регулирование напряжения, высокая линейность и малая пульсация на выходе и подходит для режима управления током или напряжением. Следовательно, в этом проекте будет использоваться ШИМ-модуляция.

Существует два основных типа технологии ШИМ-управления: один — это технология управления ШИМ в режиме напряжения, а другой — технология управления ШИМ в режиме тока.Поскольку метод управления током быстро реагирует на входное напряжение, в этой конструкции будет использоваться метод управления током.

В этой главе также описывается режим работы импульсного источника питания. Поскольку петля обратной связи прерывистого режима стабильна, а мощность этой конструкции мала, принимается прерывистый режим.

D D Evices U SED в S Witching S P P SOWER S REPPLES

2.1 Высокочастотный T трансформатор

2.1.1 Кривая намагничивания и петля гистерезиса

Рисунок 10 . Намагничивание C Уравнение и H H L L OOP T RANSFormer C ORE

Как показано на рисунке 10, как прямые, так и мостовые преобразователи, большинство из них работают в зоне 1 и 2. Характеристики этих двух зон таковы: внешнее магнитное поле мало и процесс намагничивания обратим. В зоне 1, . μ ₁ – начальная проницаемость. И, очевидно, линейный. Для силовых трансформаторов с малой выходной мощностью и низкой частотой значение B при работе можно рассчитать очень точно. В зоне 2, . Здесь B — постоянная Рэлея, и эта область не является линейной.

Но процесс намагничивания все же обратим. Обычно для этих двух областей мы все же берем приблизительную формулу для инженерных приложений: .Из-за обратимости прямоходовой преобразователь почти не имеет гистерезиса (На самом деле из-за процесса и других причин необратимое намагничивание все же есть, но оно относительно не очевидно). Для источника питания с одинаковыми входом и выходом, если используются соответственно топологии прямого и обратного возбуждения, эффективность прямого трансформатора должна быть выше, чем у трансформатора обратного хода, при условии, что рабочая частота одинакова.

Для обратноходового трансформатора рабочей зоной являются зоны 1, 2 и 3. Среди них зона 3 относится к зоне необратимого намагничивания. Эта область является основной областью формирования гистерезиса, поэтому трансформатор обратного хода имеет компонент гистерезисных потерь. Работает в среднем диапазоне магнитного поля. Даже если диапазон изменения магнитного поля невелик, изменение В очень существенно. Магнитная проницаемость быстро увеличивается и достигает максимального значения.

Эта область также является областью с максимальной магнитной проницаемостью. Очевидно, что магнитная проницаемость зон 1, 2 и 3 неодинакова, но при расчете параметров трансформатора воспользуемся формулой.Здесь μ _e является эффективной проницаемостью и делает кривую B—H зоны 1, 2 и 3 равной отношению B и H, полученному по прямой линии. Следует отметить, что эта формула адаптирована для обратноходового преобразователя, работающего в режиме DCM. Преобразователи обратного хода, работающие в режиме CCM, должны использовать инкрементальную проницаемость для точных расчетов. Расчет индуктивности накопления энергии в прямом преобразователе также считается используемым в режиме DCM с использованием μ _e и в режиме CCM с использованием приращения проницаемости.

Для максимальной петли гистерезиса, если процесс намагничивания не может вернуться в соответствии с исходным путем, неизбежно возникает потребление энергии. Мощность, потребляемая намагничиванием для одного круга, равна площади, окруженной кривой намагничивания. Чтобы снизить энергопотребление, мы всегда надеемся, что петля гистерезиса будет как можно тоньше при выборе сердечника, потому что это больше похоже на прямую линию, пересекающую нулевую координату. При использовании формулы она ближе к реальной ситуации.Так как это приблизительная формула, а B _max магнитного сердечника снижается с повышением температуры, значение △B необходимо оставить с запасом при проектировании трансформатора. (Режим DCM обычно не должен превышать 2/3 от его номинального значения B _max .

Следует отметить, что это значение соответствует максимальной температуре, при которой продукт может работать). Если запас небольшой, необходимо учитывать ограничение по току защиты от перегрузки по току источника питания.Обычно, когда правильно спроектированный источник питания работает без обратной связи в пределах полного диапазона входного напряжения при полной нагрузке, сердечник трансформатора не насыщается.

Для трансформатора, если все вторичные обмотки не подключены, первичная обмотка эквивалентна индуктору, и весь ток, протекающий через первичную обмотку, намагничивается. В состоянии постоянного тока трансформатор эквивалентен компоненту короткого замыкания и не может передавать энергию. Когда ток намагничивания большой, трансформатор будет насыщен.В это время эффективность передачи энергии резко падает. В реальных инженерных измерениях все остальные обмотки обычно замыкают накоротко для измерения при измерении индуктивности рассеяния определенной обмотки.

Когда вторичная обмотка разомкнута, первичный ток является током возбуждения. Первичная индуктивность в соответствующей вторичной разомкнутой цепи может быть аппроксимирована как индуктивность намагничивания. Для фиксированного трансформатора ток возбуждения в основном определяется напряжением, приложенным к первичной обмотке, а индуктивность намагничивания является реальной индуктивностью.Идеальный трансформатор — это просто черный ящик, передающий энергию.

Для прямого трансформатора и преобразователя, работающего как прямой трансформатор, необходим магнитный сброс, и индуктивность намагничивания пропускается через цепь сброса для достижения баланса вольт-секунд. Обратноходовой источник питания не требует магнитного сброса, потому что сам процесс обратноходового преобразователя представляет собой процесс магнитного сброса. Существуют некоторые общие схемы сброса, такие как резонансный сброс LC, сброс RC или RCD, активный зажим и сброс одной обмотки.

2.1.2 Контроль воздушного зазора

Трансформатор обратного хода по сути представляет собой катушку индуктивности. Весь его ток является током возбуждения. Формула накопления энергии индуктора: . Кажется, есть два способа увеличить запас энергии: во-первых, увеличить индуктивность (то есть увеличить количество витков). Таким образом, объем трансформатора будет значительно увеличен. Другая проблема заключается в том, что, поскольку магнитный сердечник постоянен, максимальный рабочий ток неизбежно уменьшается, поэтому неразумно увеличивать индуктивность для увеличения накопления энергии.Во-вторых, увеличить рабочий ток. Текущие требования к накоплению энергии магнитного сердечника возрастают, что в конечном итоге приводит к увеличению общего запаса энергии сердечника.

Хотя магнитная проницаемость после открытия воздушного зазора меньше, чем магнитная проницаемость, когда воздушный зазор не открыт, напряженность магнитного поля (которая пропорциональна току), достигающая магнитного насыщения магнитного сердечника, значительно увеличивается. Это способствует накоплению большего количества энергии.

Увеличение магнитного сопротивления после воздушного зазора увеличивает утечку магнитного потока, особенно вокруг воздушного зазора. Если необходимо уменьшить индуктивность рассеяния, катушку можно намотать непосредственно на воздушный зазор, но катушка вокруг воздушного зазора будет находиться в сильном изменяющемся магнитном поле, и в проводе будет генерироваться локальный вихревой ток, и эмалированный провод выгорает и обесцвечивается через долгое время. Для сердечника из железного порошка с дисперсией в воздушном зазоре лучший способ уменьшить индуктивность рассеяния — равномерно и однородно обернуть весь сердечник.Ниже приведена формула расчета воздушного зазора трансформатора.

Во-первых, по закону Ома магнитопровода:

Н — число витков катушки, R _м — магнитное сопротивление, NI — магнитный потенциал (аналогично электродвижущей силе) и — магнитный поток.

Петлевой закон Ампера: , подставляем в формулу (2-1) и получаем:

(2-3)

Теперь мы можем получить формулу магнитосопротивления:

Из магнитного пути открытого воздушного зазора мы можем узнать, что общее сопротивление равно сумме сопротивления материала и сопротивления воздушного зазора.Так как магнитная проницаемость материала намного больше, чем магнитная проницаемость воздушного зазора. Поэтому магнитное сопротивление материала намного меньше магнитного сопротивления воздушного зазора, поэтому магнитным сопротивлением материала пренебрегают.

(0-7)

Из формулы накопления энергии индуктора:

(2-8)

Из петлевого закона Ампера:

(0-9)

Мы экспортируем:

(2-07)

μ ₀ является вакуумной проницаемостью

I — первичный пиковый ток

B — значение магнитной индукции при номинальном режиме работы

S _e эффективная площадь поперечного сечения A _e

2.1.3 Контроль индуктивности рассеяния

Рисунок 11. Распределение F LUX L L Inkage в A CTUAL T RANSFORMER

На рис. 11 показан двухобмоточный трансформатор, N _p — первичный, а N _s — вторичный. — это магнитный поток, связанный между первичной и вторичной обмотками, а — магнитные потоки, которые не связаны друг с другом, то есть индуктивность рассеяния.Из-за наличия индуктивности рассеяния первичной обмотки энергия будет передаваться вторичной обмотке с задержкой. При фактическом использовании трансформатор имеет два метода намотки: метод последовательной намотки и метод многослойной намотки. Эти два метода намотки по-разному влияют на электромагнитные помехи и индуктивность рассеяния. Метод последовательной обмотки обычно имеет индуктивность рассеяния около 5% от индуктивности, но, поскольку первичная и вторичная обмотки имеют только одну контактную поверхность, а емкость связи мала, электромагнитные помехи лучше.

Метод сэндвич-обмотки обычно имеет индуктивность рассеяния примерно от 1% до 3% от индуктивности. Последовательность намотки многослойного метода намотки, как правило, сначала первичная, затем от одной второй до одной трети вторичной. И чем меньше соотношение сторон, тем меньше индуктивность рассеяния трансформатора. Однако, поскольку первичная и вторичная обмотки имеют только две контактные поверхности, а емкость связи велика, электромагнитные помехи относительно сложны. Как правило, когда мощность ниже 30~40 Вт, энергия утечки приемлема, поэтому чаще используется метод последовательной намотки.Когда мощность выше 40 Вт, энергия индуктивности рассеяния велика, и, как правило, можно использовать только многослойный метод обмотки.

2.1.4 2.1.4 A Нализ C Ontrol P P Rocess F Byback P OUVER S Rubly

В обратноходовом источнике питания первичный и вторичный ток фактически не изменяются.Теоретически ток первичной обмотки и ток вторичной обмотки плавно переходят за счет магнитной связи, а сам ток каждой обмотки может изменяться, но на самом деле никаких изменений. Подробный рабочий процесс выглядит следующим образом: после выключения МОП первичный ток заряжает выходной конденсатор МОП и паразитную емкость трансформатора (на самом деле паразитная емкость представляет собой разряд. Для упрощения описания она описана в совокупности по мере зарядки), а затем резонансно возрастает напряжение на выводах ДС трубки переключателя.Поскольку ток очень велик, значение добротности в резонансном контуре очень мало, поэтому в основном это линейный рост.

Когда напряжение на клемме DS возрастает до тех пор, пока напряжение на вторичной обмотке не достигнет суммы выходного напряжения и напряжения выпрямителя, вторичная обмотка должна быть включена. Однако из-за влияния вторичной индуктивности рассеяния напряжение будет расти, чтобы преодолеть влияние вторичной индуктивности рассеяния, так что напряжение, отраженное от первичной обмотки, также будет немного выше, чем нормальное отраженное напряжение.В таких условиях вторичный ток начинает расти, а первичный ток начинает уменьшаться. Но не забывайте о первичной индуктивности рассеяния. Поскольку он не может быть соединен, его энергия должна быть высвобождена. В это время индуктивность рассеяния, выходная емкость МОП и паразитная емкость трансформатора резонируют, напряжение высокое, и формируются несколько колебаний.

Энергия потребляется в цепи фиксации. Следует отметить, что ток индуктивности рассеяния всегда последователен с первичным током, поэтому процесс снижения тока утечки является процессом увеличения вторичного тока.А процесс спада тока утечки определяется разницей между напряжением на конденсаторе ограничительной цепи и отраженным напряжением. Чем больше разница, тем быстрее падение. Чем быстрее процесс преобразования, тем более очевидна эффективность, а процесс преобразования представляет собой процесс наложения напряжения и тока.

При использовании RC для поглощения, поскольку разница между напряжением на C и отраженным напряжением не слишком велика в установившемся режиме, процесс преобразования идет медленно, а эффективность низка.При использовании TVS для поглощения допустимое напряжение и отраженное напряжение сильно различаются, поэтому преобразование происходит быстро, а эффективность высока. Конечно, RC потребляет больше энергии, чем TVS, но и дешевле.

Когда источник питания использует УЗО в качестве контура поглощения, во время процесса установки вторичного тока напряжение постоянного тока, подаваемое на конденсатор, не равно этому напряжению и превышает его.

Энергия, поглощаемая контуром поглощения УЗО, состоит из двух частей: одна — это энергия индуктивности рассеяния, а другая — накопление энергии первичной индуктивности.Если постоянная времени RC составляет от 1/10 до 1/5 периода переключения, потери будут большими, а в процессе обратного хода вторичная энергия будет поглощаться в большом количестве, что приведет к снижению энергоэффективности.

2.1.5 Конструкция A абсорбция C управление C иркуит

Прозвон трубки переключателя и выходного выпрямителя произойдет в каждом блоке питания. Перенапряжение, вызванное чрезмерным звоном, может привести к повреждению устройства и вызвать проблемы с высокочастотными электромагнитными помехами или нестабильность контура.Решение обычно состоит в том, чтобы добавить петлю поглощения RC.

Сначала измерьте осциллографом частоту звонка без добавления поглощающей цепи при небольшой нагрузке. Не забудьте использовать пробник с низкой емкостью, потому что емкость пробника вызовет изменение частоты звонка, и результат расчета будет неточным. Во-вторых, лучше измерять частоту звонка при самом высоком рабочем напряжении, потому что частота звона будет меняться с увеличением напряжения, что в основном связано с изменением выходной емкости МОП-транзистора или диода с напряжением.

Причиной звона являются колебания эквивалентной цепи RLC. Для схемы с малыми потерями это колебание может длиться несколько циклов. Чтобы предотвратить это колебание, мы должны сначала знать параметр этого колебания. Для МОП индуктивность рассеяния является основной индуктивностью, вызывающей колебания, и это значение можно измерить. Для диода емкость является основным фактором, который можно определить по мануалу. Чтобы рассчитать его импеданс: если мы знаем L, то ; если мы знаем С, .Сначала попробуйте R=Z, обычно этого достаточно для управления звонком. Однако потери могут быть высокими, и конденсатор необходимо подключить последовательно, чтобы уменьшить потери мощности в демпфирующей цепи в это время. Значение C можно рассчитать следующим образом: . Увеличение значения C увеличит потери, а эффект демпфирования усилится. Уменьшение значения C уменьшит потери, а эффект демпфирования ослабнет. Потеря сопротивления – это: . На практике некоторые корректировки вносятся на основе расчетного значения в соответствии с экспериментом.

2.1.6 Контроль электромагнитных помех трансформатора

В силовых трансформаторах малой мощности обычно используются два типа экранирующих слоев: медная фольга и обмотки. Принцип медной фольги заключается в том, чтобы отрезать путь паразитной емкости между первичной и вторичной обмотками, чтобы все они образовывали емкость относительно земли, и эффект экранирования был превосходным. но процесс будет немного сложным, а стоимость увеличится. Экраны обмоток работают по двум принципам: отсекают путь конденсатора и уравновешивают электрическое поле.Следовательно, витки, направление намотки и положение обмотки оказывают большое влияние на результаты электромагнитных помех.

Короче говоря, есть один момент: напряжение, индуцируемое экранирующей обмоткой, противоположно направлению напряжения при работе экранированной обмотки. Положение экранирующей обмотки оказывает большое влияние на потребляемую мощность источника питания в режиме ожидания. Экранирование от электромагнитных помех можно подключить к исходному заземляющему проводу или к высоковольтному концу исходной стороны.

Почти нет разницы в электромагнитных помехах, потому что есть высоковольтный конденсатор и синфазный сигнал вверх и вниз (как правило, в нем преобладают синфазные помехи после того, как он превышает 1 МОм). Является эквипотенциальным. Внешний экран трансформатора может быть отключен или подключен к первичной земле. Влияние на электромагнитные помехи зависит от внутреннего состояния обмотки. Пожалуйста, обратите внимание на проблему безопасности. Магнитный сердечник, подключенный к первичному заземляющему проводу, является первичным, то есть магнитный сердечник находится на первичной стороне, и следует отметить безопасное расстояние между первичной и вторичной стороной.

Экранирующая обмотка влияет на работу трансформатора. Чтобы играть хорошую роль, экранирующая обмотка обычно располагается близко к первичной обмотке, так что она образует конденсатор с первичной обмоткой. Экранирующая обмотка обычно подключается к первичной земле или высоковольтному проводу. Этот конденсатор эквивалентен стороне D-S, подключенной к МОП-транзистору, и он, очевидно, вызывает большие потери при включении, а также влияет на энергопотребление в режиме ожидания. Конечно, добавление экранирования также увеличит индуктивность рассеяния.

Экранирование Фарадея

обычно использует тонкие медные листы и не может образовывать петлю. Экран на первичной стороне должен быть подключен к первичной стороне или к первичной стороне должен быть подключен прямолинейный конденсатор. Экран вторичной стороны должен быть подключен к вторичной стороне. Что касается способа подключения, лучше всего вынуть из медной точки, чтобы устранить индуктивность. В целях безопасности экран должен быть заземлен. Номинальный ток экрана, соединенного с землей, должен быть как минимум больше значения тока силового предохранителя.

Для магнитопровода с воздушным зазором используется внешний экран. К ширине щита очень привередлив и принцип очевиден. Если номинальный ток предохранителя защитного экрана меньше или такой же, как у силового предохранителя, предохранитель защитного экрана может перегореть первым в случае короткого замыкания и не может функционировать как защитный экран. Что касается внешнего экранирования, то в первую очередь необходимо выполнить требования правил техники безопасности. При таком предположении, конечно, будет лучше, если он будет шире, но это и увеличит стоимость.Нам просто нужно объединить две половины ядра. На практике экранированная медная полоса часто находится в непосредственном контакте с сердечником.

2. 2 Основная силовая трубка

Основная силовая трубка, используемая для управления, обычно представляет собой полевой МОП-транзистор, а компоненты вокруг него являются паразитными компонентами, что серьезно влияет на работу МОП-транзистора как переключателя. В качестве переключающего элемента основное внимание уделяется тому, чтобы время включения и выключения было достаточно коротким, чтобы работать между минимальным и максимальным сопротивлением для снижения энергопотребления.Фактическое время переключения обычно составляет 10-100 нс, в то время как источник питания имеет период переключения 20-200 мкс. Время переключения также в основном определяется временем заряда и разряда его паразитной емкости. И CGD, и CDS являются нелинейными функциями напряжения стока.

Еще одним важным паразитным параметром является сопротивление затвора, которое напрямую влияет на время включения ключа, и в общей спецификации этот параметр не предусмотрен. Значение области управляющего напряжения затвора обычно указывается в спецификации как значение 25 °C.Фактически доменное напряжение затвора изменяется с отрицательным температурным коэффициентом -7 мВ/°С.

Также есть два важных паразитных параметра: дроссель истока и дроссель стока. Значение паразитного индуктора в основном зависит от формы корпуса МОП-трубки. Типовые значения указаны в спецификации.

2.3 Основная микросхема управления

Основная часть импульсного источника питания состоит из прецизионной микросхемы сравнения напряжения, микросхемы ШИМ, переключающей трубки, приводного трансформатора и главного переключающего трансформатора.Прецизионный чип сравнения напряжения сравнивает напряжение обратной связи выходной части постоянного тока с опорным напряжением, а микросхема ШИМ регулирует коэффициент заполнения переключающей трубки через приводной трансформатор в соответствии с результатом сравнения, тем самым контролируя энергию, выдаваемую в часть постоянного тока. главного переключающего трансформатора для реализации регулируемого выхода.

Метод управления обратной связью ШИМ можно разделить на тип тока и тип напряжения. Обычно используемый UC3842 представляет собой режим управления по току, и его внутренняя блок-схема показана на рисунке 12.

Рис. 12. Внутренняя блок-схема UC3842

UC3842A — это высокопроизводительный контроллер токового режима с фиксированной частотой, разработанный для автономных приложений и преобразователей постоянного тока в постоянный. Это наиболее часто используемая и типичная микросхема управления ШИМ. Эти интегральные схемы оснащены подстраиваемым генератором для точного управления рабочим циклом, эталонными источниками с температурной компенсацией и усилителями ошибки с высоким коэффициентом усиления. Компаратор дискретизации тока и сильноточный выход с тотемным полюсом идеально подходят для управления мощными полевыми МОП-транзисторами.

Другие функции защиты включают блокировку входного и эталонного минимального напряжения, каждая из которых имеет гистерезис, ограничение тока ЦИКЛ ЗА ЦИКЛОМ, программируемое время простоя выхода и защелку измерения одиночного импульса. Эти устройства доступны в 8-контактных пластиковых корпусах для двухрядного монтажа и 14-контактных пластиковых корпусах для поверхностного монтажа (SO-14). Выходной каскад тотемного полюса в корпусе SO-14 имеет отдельные контакты питания и заземления. Пороги блокировки низкого напряжения 16 В (включено) и 10 В (выключено) UC3842A идеально подходят для автономных преобразователей.UCX843A предназначен для низковольтных приложений с порогом блокировки при низком напряжении 8,5 В (вкл.) и 7,6 В (выкл.) и имеет следующие характеристики:

1. Точная настройка тока разряда генератора для точного управления рабочим циклом

2. Текущий режим работает до 500 кГц

3. Зафиксируйте широтно-импульсную модуляцию, которая может ограничивать ток цикл за циклом

4. Внутреннее выравнивание опорного напряжения с блокировкой минимального напряжения

5. Выход сильноточного тотемного столба

6.Блокировка пониженного напряжения с гистерезисом

7. Низкий пусковой и рабочий ток

2.3.1 Функция D описание E ach C управление M
Генератор

: частота определяется значениями выбора элементов синхронизации RT и CT. Конденсатор CT заряжается опорным напряжением 0,5 В через резистор RT примерно до 2,8 В, а затем разряжается внутренним стоком тока до 1.2В. Во время разряда трансформатора тока генератор генерирует внутренний импульс гашения, чтобы поддерживать высокий уровень на среднем входе логического элемента ИЛИ-НЕ, что приводит к низкому уровню выходного сигнала и создает регулируемое время простоя на выходе. Следует отметить, что, хотя многие значения R и c могут создавать одну и ту же частоту генератора, существует только одна комбинация, которая дает определенное выходное мертвое время на данной частоте. Во многих чувствительных к шуму приложениях частота преобразователя может быть привязана к внешнему системному тактовому сигналу.Информацию о конкретном управлении тактовым сигналом см. в техническом описании.

Усилитель ошибки: полностью скомпенсированный усилитель ошибки с доступными инвертирующими входом и выходом. Этот усилитель имеет типичный коэффициент усиления по постоянному напряжению 90 дБ и коэффициент усиления 10 МГц с запасом по фазе 57 градусов для 1 полосы пропускания. Неинвертирующий вход имеет внутреннее смещение 2,5 В и не вытягивается штырьком. Обычно выходное напряжение преобразователя делится резисторным делителем и контролируется инвертирующим входом.Максимальный входной ток смещения составляет -2 мкА, что приведет к ошибке выходного напряжения. Последний равен входному току смещения и является произведением эквивалентного входного сопротивления источника делителя.

Выход усилителя ошибки (контакт 1) используется для внешней компенсации контура. Выходное напряжение смещается примерно на 1,4 В из-за падения напряжения на двух диодах и делится на три части перед подключением к инвертирующему входу компаратора дискретизации тока.Это гарантирует отсутствие управляющих импульсов на выходе (вывод 6), когда вывод 1 находится в самом низком состоянии, что происходит, когда источник питания работает и нагрузка отключена, или в начале процесса плавного пуска схемы.

Компаратор дискретизации тока и защелка широтно-импульсной модуляции: UC3843A работает как контроллер токового режима. Когда выходной переключатель включается генератором и пиковый ток дросселя достигает порогового уровня, установленного выходной компенсацией усилителя ошибки (вывод 1), сигнал ошибки еженедельно управляет пиковым током дросселя.Конфигурация с защелкой широтно-импульсной модуляции, используемый компаратор дискретизации тока гарантирует, что только один одиночный импульс появляется на выходе в течение любого заданного периода генератора, а ток дросселя преобразуется в напряжение путем вставки резистора дискретизации RS относительно земли последовательно с источник выходного переключателя. Это напряжение контролируется входом выборки тока (вывод 3) и сравнивается с выходным уровнем усилителя ошибки. В нормальных условиях эксплуатации пиковый ток дросселя контролируется напряжением на выводе 1, где:

(2-11)

Ненормальные рабочие условия возникают при перегрузке выхода источника питания или при потере выборки выходного напряжения.В этих условиях пороговое значение компаратора выборки тока будет внутренне ограничено до 1 В.

При проектировании импульсного стабилизатора большой мощности внутреннее напряжение бака может быть снижено до разумного уровня, чтобы сохранить потребляемую мощность RS. Однако чрезмерное снижение напряжения фиксации на приведет к ошибочной работе из-за наводки шума, и обычно можно наблюдать узкий всплеск на переднем фронте кривой тока. Когда выходная нагрузка мала, это может привести к нестабильности питания.Этот резкий импульс генерируется из-за межвитковой емкости силового трансформатора и времени восстановления выходного выпрямителя. Добавление RC-фильтра к текущему входу дискретизации приводит к тому, что его постоянная времени приближается к длительности всплеска, что обычно устраняет нестабильность.

Выход

: ШИМ-устройство 3842 имеет выходной каскад с одним тотемным полюсом, специально разработанный для непосредственного управления силовым полевым МОП-транзистором. Он обеспечивает пиковый ток возбуждения до 1 А и типичное время нарастания и спада 50 нс при нагрузке 1 нФ.Комплект для поверхностного монтажа SO-14 имеет отдельные контакты для VC (напряжения питания) и заземления. Соответствующее приложение может значительно уменьшить переходный шум переключения, применяемый к цепи управления, а источник питания и заземление управления должны быть правильно подключены.

2.3.2 Меры предосторожности для P eripheral C ontrol C ircuit

3 D

Контакт (8-контактный пакет)	Функция	Описание
1	Компенсация	Ошибка выхода усилителя для контурной компенсации
2	Обратная связь по напряжению	Инвертирующий вход усилителя ошибки, выборка выходного напряжения
3	Текущая выборка	На этот вывод подается напряжение, пропорциональное току катушки индуктивности, и для управления выходом сравниваются сигналы ШИМ и внутренней ошибки.
4	РТ/КТ	Осциллирующий конденсатор и резистор подключены к этому контакту
5	Земля	Это точка соприкосновения всего ШИМ
6	Выход	Выход тотемного столба для прямого привода внешнего MOS
7	ВКЦ	Положительный источник питания для IC
8	ВРЕФ	Опорное напряжение SV внутри ИС, точность 1%, выходной ток 20 мА

Таблица 1 . Описание F соединения E ач P в UC3842

Методы компоновки высокочастотных цепей должны использоваться для предотвращения джиттера ширины импульса. Обычно он добавляется к входу выборки тока или обратной связи по напряжению, и возникает чрезмерный шум. Подавление помех можно усилить, уменьшив импеданс цепи в этих точках. Компоновка печатной платы должна включать заземляющую пластину только с небольшим сигналом тока, в то время как сильноточный переключатель и выходная земля возвращаются к конденсатору входного фильтра по отдельному пути.

В соответствии со схемой, керамический блокировочный конденсатор (0,1 мкФ) обычно требуется для прямого подключения к Vcc и Vref. Это обеспечивает путь с низким импедансом, который отфильтровывает высокочастотный шум. Все сильноточные контуры должны быть как можно короче и могут уменьшить излучаемые электромагнитные помехи за счет использования грубой медной фольги. Схема компенсации усилителя ошибки и выходной делитель преобразователя должны располагаться ближе к интегральной схеме и как можно дальше от выключателя питания и других компонентов, генерирующих шум.

Преобразователь режима тока работает при условии, что коэффициент заполнения больше 50%, а непрерывный ток катушки индуктивности будет генерировать субгармонические колебания. В это время необходимо добавить схему компенсации наклона, чтобы обеспечить стабильную работу всего источника питания.

2,4 г г R RANSmission из Управление S IGNAL

2.4.1 Сигнал T передача в I изоляция

С быстрым развитием электронных компонентов линейность оптопар становится все выше и выше, и оптопары являются наиболее широко используемыми устройствами изоляции и защиты от помех в импульсных источниках питания. Оптопара (OC) также известна как оптоизолятор или оптопара, называемая оптопара. Это устройство, которое передает электрические сигналы с помощью света.

Как правило, осветитель (инфракрасный светодиодный светодиод) и приемник света (светочувствительная полупроводниковая трубка) упаковываются в одну упаковку. Когда на входную клемму подается питание, осветитель излучает свет, а после получения света фоторецептор генерирует фототок, который вытекает из выходной клеммы, тем самым реализуя преобразование «электро-опто-электрическое». Оптопара, которая соединяет входной сигнал с выходным со светом в качестве среды, широко используется в цепях из-за его небольшого размера, длительного срока службы, отсутствия контакта, сильной защиты от помех, изоляции между выходом и входом, односторонней передачи сигнала. , и т.д.

Из-за своей нелинейности типичная оптопара ограничена изолированной передачей слабых сигналов на более высоких частотах. Обычная оптопара может передавать только цифровые (коммутационные) сигналы и не подходит для передачи аналоговых сигналов. Появившиеся в последние годы линейные оптопары способны передавать непрерывно изменяющиеся аналоговые или аналоговые токовые сигналы, что расширяет области их применения.

Основным преимуществом оптопары является односторонняя передача сигнала, полная электрическая изоляция между входным и выходным концами, сильная помехоустойчивость, длительный срок службы и высокая эффективность передачи.Оптопара имеет большое сопротивление изоляции (около 10 ¹² Ом) и небольшой разделительный конденсатор (около нескольких пФ). Оптрон, работающий в линейном режиме, добавляет на вход оптрона управляющее напряжение, которое пропорционально вырабатывает напряжение на выходе для дальнейшего управления следующим каскадом схемы. Линейная фотопара состоит из светодиода и фототранзистора.

Когда светодиод включен и излучает свет, фототранзистор включен.Оптопара управляется током и требует достаточно большого тока для включения светодиода. Если входной сигнал слишком мал, светодиод не включается, а его выходной сигнал будет искажен. В импульсном источнике питания цепь обратной связи оптопары может быть построена с использованием линейной оптопары, а коэффициент заполнения изменяется путем регулировки тока клеммы управления для достижения цели точной регулировки напряжения.

Технические параметры оптопары в основном включают прямое падение напряжения светодиода VF, прямой ток IF, коэффициент передачи тока CTR, сопротивление изоляции между входным каскадом и выходным каскадом, а также обратное напряжение пробоя коллектор-эмиттер V(BR) _CEO, коллектор- падение напряжения насыщения эмиттера В _CE (нас.).Кроме того, при передаче цифровых сигналов необходимо учитывать такие параметры, как время нарастания, время спада, время задержки и время хранения.

Текущий коэффициент передачи обычно выражается как коэффициент передачи постоянного тока. Когда выходное напряжение остается постоянным, оно равно процентному отношению выходного постоянного тока IC к входному постоянному току IF. Диапазон CTR фотопары, использующей фототранзистор, в основном составляет 20–300 % (например, 4N35), в то время как оптопары Дарлингтона (например, 4N30) могут достигать 100–5000 %.

Это означает, что последний требует меньше входного тока, если вы хотите такой же выходной ток. Поэтому параметры CTR имеют некоторое сходство с HFE транзистора. Характеристическая кривая CTR-IF обычного оптического соединителя является нелинейной, и нелинейные искажения особенно серьезны, когда ПЧ мала, поэтому он не подходит для передачи аналогового сигнала. Характеристическая кривая CTR-IF линейной оптопары имеет хорошую линейность, особенно при передаче слабых сигналов.Его коэффициент передачи переменного тока очень близок к значению CTR, который представляет собой коэффициент передачи постоянного тока. Поэтому он подходит для передачи аналоговых сигналов напряжения или тока, обеспечивая линейную зависимость между выходом и входом.

Оптопары используются, прежде всего, для обеспечения изоляции между входными и выходными цепями. При проектировании схемы необходимо соблюдать следующие принципы: Выбранное устройство оптопары должно соответствовать национальным и международным стандартам по напряжению пробоя изоляции:

Для правильного выбора типа и параметров линейного оптрона в изоляции импульсного источника питания и конструкции импульсного источника питания с обратной связью по оптрону необходимо соблюдать следующие принципы: допустимый диапазон коэффициента передачи тока ( CTR) оптопары составляет 50% — 200%.

Это связано с тем, что при CTR < 50 % светодиоду в оптопаре требуется большой рабочий ток (IF > 5 мА) для правильного управления рабочим циклом монолитной ИС импульсного источника питания, что увеличивает энергопотребление оптопары. Если CTR> 200%, при запуске схемы или при изменении нагрузки возможно ложное срабатывание однокристального импульсного источника питания, влияющее на нормальный выход; Если схема усилителя используется для управления оптопарой, она должна быть тщательно спроектирована, чтобы компенсировать температурную нестабильность и дрейф ответвителя; Рекомендуется использовать линейную оптопару, так как она характеризуется линейной регулировкой значения CTR в определенном диапазоне.

Оптопара, использованная выше, работает в линейном режиме. На входной конец оптрона подается управляющее напряжение, а на выходном конце пропорционально генерируется напряжение для дальнейшего управления схемой следующего каскада, и выполняется регулирование регулировки с обратной связью для стабилизации выхода источника питания.

2.4.2 Поколение E rror C управление S сигналы

TL431 имеет трехполюсный регулируемый шунт с хорошей термостойкостью.Его можно использовать в качестве эталонного усилителя с программируемым низкотемпературным коэффициентом. Его выходное напряжение может быть произвольно установлено на любое значение от Vref (2,5 В) до 36 В с помощью двух резисторов, что позволяет потреблять ток от 1 мА до 100 мА. Типичное динамическое сопротивление устройства составляет 0,2 Ом. Внутри TL431 находится опорное напряжение 2,5 В, поэтому его опорное входное напряжение может быть обеспечено парциальным напряжением выходного постоянного напряжения, что обеспечивает его хорошую работу. Он имеет очень низкий выходной шум и температурный коэффициент всего 50 ppm/C.Он идеально подходит для использования в качестве эталонного источника питания.

Схема выборки сравнивает полученный выходной сигнал с источником опорного напряжения 2,5 В внутри TL431 для генерации сигнала усиления ошибки и в это время преобразует сигнал выходного напряжения в сигнал тока. Согласно характеристикам ОУ, только при напряжении на выводе REF (синфазном выводе) чуть выше 2,5В через триод будет проходить стабильный ненасыщенный ток.При этом при незначительном изменении напряжения на выводе REF ток через последовательно включенный транзистор будет изменяться от 1 до 100 мА. Так что TL431 ни в коем случае не стабилитрон, а настоящая ИС.

2.4.3 Реализация замкнутого контура управления с отрицательной обратной связью

Для схемы, показанной на рисунке 13, необходимо определить номиналы R1, R2, R3 и R4. Пусть выходное напряжение равно 5В, а выпрямленное выходное напряжение вспомогательной обмотки равно 12В.Схема использует выходное напряжение для сравнения с опорным напряжением, формируемым TL431, и управляет клеммой COMP ШИМ посредством изменения тока фотодиода PC817 диод-транзистор, тем самым изменяя ширину ШИМ и достигая цели стабилизации выходного напряжения. . Поскольку управляемым объектом является ШИМ, первое, что необходимо выяснить – это управляющие характеристики ШИМ. Соотношение между Vcomp и Icomp известно из спецификации PWM. Это видно из рисунка 14.

Рисунок 14. Линейная рабочая зона ШИМ

Видно, что ток Icomp должен быть в пределах от 810 мкА до 822 мкА, а ШИМ будет изменяться линейно. Поэтому ток Ice транзистора PC817 также должен изменяться в этом диапазоне. В то время как Ice управляется током If диода, мы можем правильно определить прямой ток If диода PC817 по соотношению между Ice и If PC817. Из рисунка 15 видно, что, когда прямой ток If диода PC817 составляет около 8 мА, ток коллектора Ice триода изменяется примерно на 810 мкА, а напряжение коллектора Vce может линейно изменяться в широком диапазоне, как показано на рисунке 16.

Рисунок 15. Характеристика C Урв PC817

Рисунок 16. Зависимость между O выходом V oltage и C urrent PC817

Удовлетворяет требованиям управления ШИМ. Следовательно, можно определить, что прямой ток IF диода PC817 составляет 8 мА. После определения прямого тока оптопары можно определить значение сопротивления токоограничивающего резистора R1:

(2-12)

Параллельный резистор R2 предназначен для подачи тока смещения на TL431.TL431 требует, чтобы рабочий ток был не менее 1 мА, то есть, когда ток диода оптопары находится на минимальном значении срабатывания, TL431 также должен быть не менее 1 мА. Так как анод TL431 не менее 2,5В, то грубо подсчитано, что R2<=2,5В/1мА=2,5К.

Кроме того, это также учитывает энергопотребление. Здесь мы выбираем 2K и есть два фактора, которые следует учитывать для значения R3:

1) Ток опорного входа TL431 обычно составляет около 2 мкА.Во избежание влияния этого тока на клеммах на коэффициент парциального давления и влияния шума ток, протекающий через резистор R3, обычно в 100 или более раз превышает ток эталонного сегмента. Поэтому сопротивление должно быть меньше 2,5 В/200 мкА=12,5.

2) Требования к энергопотреблению в режиме ожидания. Если требуется попытаться получить большое значение при <12,5 КБ, мы выбираем здесь 2,5 КБ. Так как выходное напряжение 5В, R4 также выбирает 2,5К.

2.5 Резюме

Основная работа этой главы состоит в том, чтобы представить устройства управления, используемые в конструкции, высокочастотные трансформаторы, основные силовые лампы и основные микросхемы управления. Также представлены процесс управления обратноходовым источником питания и конструкция схемы управления поглощением. В этой главе подробно описан процесс генерации и передачи управляющего сигнала.

Ⅲ Часто задаваемые вопросы

1. Как работает импульсный источник питания?

«Переключатель» в импульсном источнике питания на самом деле представляет собой полупроводник — полевой МОП-транзистор, который либо выключен, либо включен — приводится в диапазон насыщения для передачи энергии при почти нулевом сопротивлении.Он делает это много тысяч раз в секунду, создавая промежуточный высокочастотный переменный ток.

2. В чем разница между импульсным и регулируемым источником питания?

Для этой цели следует рассмотреть две топологии: источники питания с линейным регулированием и импульсные источники питания. Линейное регулирование идеально подходит для приложений, требующих низкого уровня шума, в то время как импульсные источники питания лучше подходят для портативных устройств, где важны срок службы батареи и эффективность.

3. Что такое импульсный источник питания постоянного тока?

Импульсный источник питания постоянного тока (также известный как импульсный источник питания) регулирует выходное напряжение с помощью процесса, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Процесс ШИМ генерирует некоторый высокочастотный шум, но позволяет создавать импульсные источники питания с очень высокой энергоэффективностью и малым форм-фактором.

4. Нужен ли мне импульсный блок питания?

Импульсный источник питания обеспечивает более высокий КПД благодаря высокой частоте переключения, что позволяет использовать меньший по размеру и менее дорогой высокочастотный трансформатор, а также более легкие и менее дорогие фильтрующие компоненты.

5. Когда следует использовать импульсный источник питания?

Импульсные источники питания в основном используются в цифровых системах, таких как телекоммуникационные устройства, вычислительное оборудование, аудиооборудование, зарядные устройства для мобильных телефонов, медицинские испытательные устройства, оборудование для дуговой сварки и автомобильные зарядные устройства.

6. Как понизить напряжение питания?

Чтобы уменьшить напряжение в два раза, просто формируем схему делителя напряжения между 2-мя резисторами одинакового номинала (например, 2 резистора по 10КОм).Чтобы разделить напряжение пополам, все, что вам нужно сделать, это последовательно соединить любые 2 резистора одинакового номинала, а затем поместить перемычку между резисторами.

7. Каковы преимущества блока питания?

Преимущества источников питания с линейным режимом включают простоту, надежность, низкий уровень шума и низкую стоимость. Эти источники питания, также известные как линейные регуляторы (LR), имеют очень простую конструкцию, поскольку требуют небольшого количества компонентов, что делает их простым устройством для инженеров-конструкторов.

8. Что такое автоматический источник питания?

Ну, этот тип источника питания необходим для обеспечения регулируемой и переменной системы электропитания, которая автоматически прекращает подачу в случае отсутствия нагрузки. … Этот механизм автоматически отключает входное питание в случае отсутствия нагрузки.

9. Можно ли использовать импульсный источник питания для привода двигателя постоянного тока?

Простой нестабилизированный аналоговый блок питания может быть проще и сможет обеспечить больший пусковой ток под нагрузкой, чем импульсный.Двигатели постоянного тока не слишком требовательны к источнику питания и обычно довольно хорошо работают на нефильтрованном постоянном токе.

10. Что такое общий блок питания?

Наиболее распространенный источник питания состоит из однофазного переменного тока. трансформатор, см. рисунок 10.49. Это преобразует первичное напряжение сети в низкое (2–20 В) вторичное сварочное напряжение. … Максимально допустимый ток на первичной обмотке трансформатора при рабочем цикле 50 % равен номинальной мощности в кВА, деленной на напряжение сети.

Вам также может понравиться

Схема цепи импульсного источника питания с пояснениями

Схема линейного регулируемого источника питания постоянного тока

Проект однофазного синусоидального инверторного источника питания SPWM на базе SG3525

Принципиальная схема регулируемого источника питания с регулируемым напряжением

Принцип и применение регулируемого источника питания постоянного тока

Альтернативные модели

Часть	Сравнить	Производители	Категория	Описание
Произв.Деталь №: 540-44-044-24-000000	Сравните: 940-44-044-24-000000 ВС 540-44-044-24-000000	Производители: Mill-Max	Категория: Разъемы для интегральных схем и компонентов	Описание: Разъем PLCC SKT 44POS 2.54-миллиметровая трубка для припоя ST со сквозным отверстием
№ по каталогу производителя:961103-5604-AR	Сравните: Текущая часть	Производители: 3M	Категория: Межплатные соединители	Описание: Межплатный соединитель 3M 961103-5604-AR, 2.54 мм, 3 контакта, жатка, серия 961, сквозное отверстие, 1 ряд
№ производителя: 22-28-8034	Сравните: 961103-5604-АР ВС 22-28-8034	Производители:Molex	Категория: Коллекторы и розетки	Описание: Conn Unshrouded Header HDR 3POS 2.Мешок для припоя RA Thru-Hole KK® 54 мм
№ производителя: 61300311021	Сравните: 961103-5604-АР ВС 61300311021	Производитель:Wurth Electronics	Категория: Межплатные соединители	Описание: Межплатный соединитель WURTH ELEKTRONIK 61300311021, прямоугольный, 2.54 мм, 3 контакта, разъем, серия WR-PHD, сквозное отверстие

Что такое классификация и принцип импульсного питания?

Импульсный источник питания (SMPS) широко используется в качестве эффективного и действенного источника питания.Это основная часть их эффективности. SMPS имеет преимущества в размере, весе, стоимости, эффективности и общей производительности. Они стали частью электроники. По сути, это устройство, обеспечивающее преобразование энергии и регулирование силовым полупроводником, который непрерывно «включается» и «выключается» на высокой частоте.

Различные виды

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Передний преобразователь

Обратноходовой преобразователь

Автоколебательный обратноходовой преобразователь

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Первичная мощность, полученная от основного источника питания переменного тока, выпрямляется и фильтруется в постоянный ток высокого напряжения.Затем он переключается с огромной скоростью и подает его на первичную сторону понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор является лишь небольшой частью аналогичного устройства с частотой 50 Гц, что снижает проблемы с размером и весом.

У нас есть выход фильтра и выпрямителя на вторичной стороне трансформатора. Теперь он отправляется на выход источника питания, а выходной образец отправляется обратно на переключатель для управления выходным напряжением.

Передний преобразователь

В прямоходовом преобразователе через дроссель проходит ток, когда транзистор открыт и выключен.Диоды пропускают ток во время выключения транзистора. Следовательно, в обеих фазах энергия поступает в нагрузку. Дроссель накапливает энергию при включении питания и передает часть энергии на выходную нагрузку.

Обратноходовой преобразователь

В обратноходовом преобразователе магнитное поле катушки индуктивности накапливает энергию в течение периода включения. Когда переключатель находится в выключенном состоянии, энергия уходит в цепь выходного напряжения, а рабочий цикл определяет выходное напряжение.

Автоколебательный обратноходовой преобразователь

Это самый простой и основной преобразователь, основанный на обратноходовом принципе.За время включения переключающего транзистора ток, проходящий через первичную обмотку трансформатора, начинает линейно нарастать с наклоном, равным VIN/LP.

Напряжение, индуцируемое во вторичной обмотке и обмотке обратной связи, быстро восстанавливает обратное смещение выпрямителя, а проводящий транзистор остается открытым. Когда первичный ток достигает пика IP, сердечник начинает насыщаться, и ток резко возрастает. Привод с фиксированной базой, обеспечиваемый обмоткой обратной связи, не может выдержать резкое возрастание тока.В результате коммутатор начал насыщаться.

Основной принцип работы SMPS

Импульсный регулятор регулируется в импульсном блоке питания. Элемент последовательного включения включает и выключает подачу тока на сглаживающий конденсатор. Напряжение на конденсаторе управляет временем вращения последовательного элемента. Непрерывное переключение конденсатора поддерживает напряжение на необходимом уровне.

Основа проекта

Питание переменного тока сначала проходит через предохранители и сетевые фильтры.Затем для выпрямления используется двухполупериодный мостовой выпрямитель. Выпрямленное напряжение подается на предварительный регулятор PFC, а затем на выходной DC-DC преобразователь.

В большинстве компьютеров и небольших бытовых приборов используются входные разъемы типа IEC. Что касается выходных разъемов и контактов, за исключением некоторых отраслей, таких как ПК и компактный PCI, они не стандартизированы и определяются производителем.

Почему SMPS

Как и все электронные продукты, импульсный блок питания также включает активные и пассивные компоненты.Как и любой гаджет, он имеет свои преимущества и недостатки.

Давайте начнем с того, почему вы должны выбрать SMPS

Действие переключения означает, что элемент последовательного регулятора включен или выключен. Мы потребляем так же мало энергии, как и нагреваем, и можем достичь очень высокого уровня эффективности. Благодаря высокому КПД и низкому уровню охлаждения импульсный блок питания может быть компактным. Технология импульсных источников питания также может обеспечить эффективное преобразование напряжения в повышающих или повышающих приложениях, понижающих или понижающих приложениях.

При неправильной фильтрации переходные выбросы, вызванные переключением, будут мигрировать в другие области схемы. Они могут вызывать электромагнитные или радиочастотные помехи и влиять на другие находящиеся поблизости электронные устройства, особенно когда они принимают радиосигналы.

Может быть немного сложно гарантировать, что SMPS работает в соответствии с требуемыми характеристиками, особенно с уровнями пульсаций и помех.

Что будет в будущем?

В будущем у нас может быть более эффективный импульсный источник питания, цель — лучший преобразователь для наиболее эффективного процесса преобразования.Ключевыми областями для разработчиков по повышению эффективности SMP являются:

Более высокая выходная мощность

Достичь высокого выходного тока и низкого напряжения

Увеличивается удельная мощность

Используются переключающие устройства, такие как диоды Шоттки

Диоды Шоттки

SiC с рабочим диапазоном 300-600В могут быть использованы в качестве активного устройства вместо транзисторов с высокой частотой переключения.
Ответственный редактор: Тж

просмотров сообщений:
2

Принципы преобразования энергии | Astrodyne TDI

Введение:
Каждый день мы сталкиваемся с самыми разнообразными электронными устройствами.Кроме того, существует множество контрольно-измерительных приборов, систем управления, коммуникационных устройств и любого количества различных электронных устройств или систем, находящихся на заднем плане общества в целом, от которых мы ежедневно зависим.

Независимо от того, какой тип электронного устройства, будь то потребительский продукт, такой как компьютеры, сотовые телефоны, игровые системы и более промышленные OEM-системы мониторинга и управления, все они имеют одно общее требование для их работы — надежность и стабильный источник постоянного тока.

В настоящее время используются три типа устройств преобразования энергии: источник питания переменного тока в постоянный, преобразователь постоянного тока в постоянный и инвертор постоянного тока в переменный. Из этих трех наиболее часто используются источники питания переменного/постоянного тока и преобразователи постоянного/постоянного тока.

Будь то основной преобразователь переменного/постоянного тока или встроенный преобразователь постоянного/постоянного тока в более крупной распределенной системе питания, ни один другой отдельный компонент не оказывает прямого влияния на общую надежность и производительность системы так, как вездесущий источник питания.

Блок питания не только обеспечивает надежное питание устройства, но и должен соответствовать спецификациям по безопасности пользователя, излучению и средней наработке на отказ, а также удовлетворять требованиям к температуре окружающей среды.

Линейный источник питания:
Линейный источник питания, преобразующий линейное напряжение переменного тока в выходную мощность постоянного тока, выполняет несколько функций:

Входной трансформатор; изменяет высокое напряжение сети переменного тока путем понижения до более подходящего низкого напряжения в соответствии с требованиями схемы системы — обычно от 3.от 3В до 24В.
Входные выпрямители; изменяет пониженное напряжение переменного тока на напряжение постоянного тока.
Фильтрация; за счет использования выходных конденсаторов сглаживает пульсации выпрямленного переменного напряжения до среднего устойчивого уровня.
Регулировка выхода; за счет использования компонентов последовательного регулятора обеспечивает постоянное выходное напряжение по отношению к изменениям сети, нагрузки и температуры.
Изоляция; электрически разделяет вход и выход источника питания для обеспечения безопасности и изоляции от линейных помех.

Линейная по сравнению с линейной. Сравнение импульсных источников питания:
Различия между двумя топологиями силовых преобразователей очевидны. Импульсные источники питания приобрели популярность благодаря их высокому КПД и высокой удельной мощности. Ключевой характеристикой между ними является выходная пульсация. Из-за распространения высокочастотного прерывания, используемого в импульсном источнике питания, выходная пульсация обычно выше, чем у линейного источника, в диапазоне 100 мВ.Это может быть проблематично при требованиях к низкому уровню шума, таких как контрольно-измерительные приборы, но эти эффекты можно смягчить с помощью схемы фильтрации выходного сигнала. Импульсные источники также имеют более медленное время переходного процесса, чем линейные, но имеют гораздо более длительное время удержания выходного напряжения, что является важной характеристикой во многих компьютерных и контрольно-измерительных приложениях.

Импульсный блок питания имеет преимущество в более широком диапазоне входного напряжения, чем его линейный аналог. Линейный входной диапазон источника питания обычно составляет +/-10% и напрямую влияет на эффективность источника питания.При импульсном источнике размах входного напряжения практически не влияет на КПД, а диапазон входного напряжения обычно составляет 50–100 % при использовании универсального или автоматического управления линией переключения.

Присущий коммутатору более широкий диапазон входного напряжения делает источник питания полезным в условиях пониженного напряжения. Кроме того, благодаря использованию автоматического переключателя или схемы управления универсальным входом импульсные источники питания больше не требуют механических импортных перемычек для автоматической адаптации к разнице входного сетевого напряжения по всему миру, что значительно упрощает их применение.

Прямой преобразователь:
Другая конфигурация переключения заполнения известна как прямой преобразователь. Хотя прямоходовой преобразователь имеет некоторое сходство с обратноходовым преобразователем, между ними есть некоторые ключевые отличия. Прямой преобразователь накапливает значительную энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности. Когда транзистор включается, выходное напряжение, генерируемое во вторичной обмотке, течет через диод в катушку индуктивности. Чем больше время включения ключа по сравнению со временем выключения, тем выше среднее вторичное напряжение и выше токовая нагрузка в разомкнутом состоянии.

Когда переключатель выключен, ток в катушке индуктивности не может измениться мгновенно. Из-за этого ток течет от элемента накопления энергии в течение обеих половин цикла переключения, в отличие от схемы обратного хода. Из-за этого прямоходовой преобразователь имеет более низкое выходное напряжение пульсаций, чем обратноходовая схема при том же уровне выходной мощности. Этот тип конфигурации используется для уровней мощности до 250 Вт.

Общая коммутационная мощность переменного/постоянного тока:

Понижающий преобразователь: Понижающий преобразователь, показанный ниже, часто используемый в импульсных источниках питания с выходной мощностью до 1000 Вт, работает как прямоходовой преобразователь, и в схеме отсутствует изоляция входа-выхода.Высокие входные напряжения постоянного тока регулируются до более низкого уровня широтно-импульсной модуляцией переключателя.

Повышающий регулятор: Аналогичная схема представляет собой повышающий регулятор, который работает как понижающий регулятор, за исключением того, что в этом случае выходное напряжение выше входного. Выходное напряжение равно входному напряжению плюс напряжение определяется переключающим элементом.

Двухтактный преобразователь: Двухтактный преобразователь представляет собой вариант прямого преобразователя, за исключением того, что на первичной стороне трансформатора используются два переключающих элемента.

Полномостовые и полумостовые преобразователи: Другой часто используемой топологией являются полумостовые или полномостовые преобразователи, которые имеют разновидности прямого преобразователя. Единственная разница здесь заключается в том, что первичная обмотка трансформатора приводится в действие.

Коррекция коэффициента мощности: Эффекты коэффициента мощности сложны; по сути, коэффициент мощности системы переменного тока определяется как отношение реальной мощности, подаваемой на нагрузку, к полной мощности, обычно измеряемой как число от 0 до 1, часто выражаемое как процент рейтинга эффективности.

В электроэнергетической системе нагрузка с низким коэффициентом мощности потребляет больше тока, чем нагрузка с высоким коэффициентом мощности, при том же количестве передаваемой полезной мощности. Эти более высокие токи увеличивают потери энергии в системах распределения электроэнергии и требуют более крупных проводов и оборудования, чтобы свести к минимуму их влияние. Из-за затрат, необходимых для дополнительного силового оборудования для замены потерянной энергии, электрические коммунальные предприятия обычно взимают более высокую плату с промышленных или коммерческих потребителей, где используется большая мощность из-за низкого коэффициента мощности.

Импульсные источники питания по своей конструкции потребляют ток от сети переменного тока короткими импульсами, когда мгновенное напряжение сети превышает напряжение на входном конденсаторе большой емкости в течение оставшейся части цикла переменного тока, для которого этот конденсатор обеспечивает питание. Это приводит к высокому содержанию гармоник и относительно низкому коэффициенту мощности, что создает дополнительную нагрузку на линии электропередач. Эти гармоники могут быть удалены с помощью банков фильтров, но реализация таких больших возможностей фильтрации может быть дорогостоящей.

При выборе импульсного источника питания необходимо учитывать ряд факторов, таких как:

Входное напряжение и частота
Пусковой ток
Вход/выход Изоляция
Допуск и регулировка выходного напряжения
Максимальный выходной ток/мощность
Пульсация и шум
Номинальный вывод
Время настройки, время нарастания и время задержки
Защита от перегрузки по току/перегрузки

— и другие факторы снижения номинальных характеристик

Все это играет огромную роль в том, что каждое приложение и компонент может сделать для этого конкретного преобразования.

Постоянное напряжение и постоянный ток | Tech

Дата: 2021-08-18

Источник питания — это устройство, которое подает электрическую энергию на нагрузку, и бывает двух типов: источники напряжения и источники тока. В общем случае под источником питания часто понимают источник напряжения, но существуют и источники тока, подающие ток.
Силовая цепь, преобразующая поступающую электроэнергию в требуемую форму и выдающая ее, называется «силовой цепью». Схемы электропитания можно условно разделить на «источники постоянного напряжения» и «источники постоянного тока».

Источник постоянного напряжения

Источник питания постоянного напряжения — это силовая цепь, которая регулирует выходное напряжение на постоянном уровне. Он всегда обеспечивает постоянное напряжение независимо от нагрузки и широко используется в источниках питания для электронных схем.
Большинство электронных схем рассчитаны на работу при постоянном напряжении, поскольку они не могут работать должным образом, если напряжение колеблется непреднамеренно.

Источники постоянного тока

Источник питания постоянного тока, с другой стороны, представляет собой схему источника питания, которая регулирует выходной ток на постоянном уровне.Источники постоянного тока используются для питания светодиодного освещения и зарядки аккумуляторных батарей.
Яркость светодиодного освещения определяется текущим значением, поэтому, если текущее значение колеблется, соответственно изменится и яркость. Это не столько проблема для маленьких светодиодных экранов, сколько для больших светильников видно изменение яркости, поэтому требуется стабильный ток.
Также при зарядке аккумуляторов напряжение и ток не пропорциональны из-за характеристик аккумуляторов.Поэтому используется источник питания постоянного тока, чтобы ток подавался независимо от напряжения, подаваемого на батарею.

Преобразование между источником напряжения и источником тока

Источники напряжения и тока могут быть эквивалентно преобразованы друг в друга. Когда напряжение, приложенное к нагрузке, и ток, протекающий через нагрузку, одинаковы, источник напряжения и источник тока функционируют как имеющие одинаковое значение и функцию.
Другими словами, источник напряжения можно эквивалентно преобразовать в источник тока, выполняющий ту же работу для нагрузки, а источник тока можно эквивалентно преобразовать в источник напряжения, выполняющий ту же работу для нагрузки.

Переменный импульсный источник питания

Некоторые блоки питания являются «импульсными источниками питания с переменным переключением», которые могут переключать режимы для включения различных выходов. В дополнение к режиму постоянного напряжения (CV) и режиму постоянного тока (CC), режим постоянной мощности (CP), режим постоянного сопротивления (CR) и т. д. доступны для обеспечения выходного сигнала в соответствии с приложением.

Схема источника постоянного напряжения показана ниже. Источник напряжения содержит источник питания и внутренние резисторы, которые соединены последовательно с источником питания.Напряжение на клеммах V _L выражается следующим уравнением.

Следовательно, когда внутреннее сопротивление r ₀ достаточно мало по сравнению с сопротивлением нагрузки R _L , V _L ≒E ₀ . Это приводит к постоянному напряжению на клеммах V _L независимо от тока нагрузки I _L .

Схема источника постоянного тока показана ниже. Внутреннее сопротивление источника постоянного тока параллельно источнику питания.Выходной ток I _L выражается следующим уравнением.

Когда внутреннее сопротивление r ₀ равно ∞, I _L ≒I ₀ . Это делает ток нагрузки I _L постоянным.

Источник питания, который имеет такой механизм, как поддержание постоянного напряжения V _L и I _L, называется источником питания со стабилизацией постоянного тока.
Типы регулируемых источников питания постоянного тока включают «последовательно регулируемые источники питания», в которых цепь управления вставлена между входом и выходом для стабилизации напряжения и тока, и «импульсные источники питания», в которых высокая частота создается путем поворота вход выключается и включается, а затем выпрямляется и контролируется для стабилизации.Источники питания постоянного тока
с регулируемым напряжением подразделяются на «источники постоянного напряжения постоянного тока», чье выходное напряжение стабильно даже при изменении нагрузки, и «источники постоянного тока постоянного тока», чей выходной ток стабилен.
Программируемые источники питания постоянного тока автоматически переключаются в режим постоянного напряжения (CV) или в режим постоянного тока (CC) в зависимости от настроек напряжения и тока и подключенной нагрузки.
Для получения дополнительной информации о достоинствах и недостатках источников питания постоянного тока в зависимости от метода управления и продуктов, с которыми они работают, перейдите по ссылкам ниже.

Связанные технические статьи

Как работают импульсные источники питания? Исторический обзор революционных технологий электропитания｜Мир силовой электроники｜Журнал TDK Techno

Почему адаптеры переменного тока на основе линейного метода тяжелые и громоздкие

Адаптер переменного тока, который преобразует обычный переменный ток в постоянный, является хорошим примером для изучения основных технологий, лежащих в основе источников питания.В прошлом адаптеры переменного тока обычно были тяжелыми и громоздкими предметами, но сегодня они намного легче и меньше, примером чего является зарядное устройство для мобильного телефона. Это связано с тем, что метод переключения стал основным с начала 2000-х годов, заменив традиционный линейный метод.

Различия между линейным и импульсным методами обсуждаются ниже, но сначала давайте рассмотрим простой обычный адаптер переменного тока — простой линейный блок питания без схемы стабилизации. Этот тип адаптера переменного тока имеет простую схему и низкую стоимость и используется в стационарных беспроводных телефонах, динамиках настольных компьютеров, электроинструментах и т. д.Хотя по внешнему виду это трудно сказать, большая часть его веса и объема связана с силовым трансформатором внутри, состоящим из катушки, намотанной на твердый железный сердечник. Силовой трансформатор преобразует переменное напряжение 100 В в более низкое переменное напряжение. Затем переменный ток выпрямляется с помощью диодов — элементов, которые пропускают ток в одном направлении, но блокируют его в противоположном направлении.

Даже после выпрямления ток все еще пульсирует и далек от чистого постоянного тока, поэтому он дополнительно сглаживается сглаживающей схемой на основе конденсатора.Конденсатор хранит электрический заряд, основное свойство конденсатора. Схема выпрямления, показанная на рисунке ниже, является примером использования диодов в мостовой конфигурации (метод двухполупериодного выпрямления). Даже когда переменный ток меняет свое направление, ток, протекающий к конденсатору, всегда имеет одно и то же направление, заряжая конденсатор. При пульсирующих токах ток и напряжение сильно циклически колеблются, и конденсатор соответственно разряжает накопленную энергию, чтобы подавить эти колебания.В сглаживающих цепях требуются конденсаторы большой емкости; таким образом, обычно используются алюминиевые электролитические конденсаторы. Кроме того, дроссель иногда помещают последовательно с конденсатором, используя способность катушки препятствовать изменениям тока, тем самым дополнительно способствуя сглаживанию.

Стабилизированные источники питания постоянного тока имеют решающее значение для цифровых электронных устройств

Блок питания переменного/постоянного тока, такой как адаптер переменного тока, предназначен для получения постоянного тока от коммерческого источника переменного тока.Однако качество DC сильно различается. В простом сетевом адаптере даже после того, как пульсирующий ток сглажен, в осциллограмме остаются пульсации. Колебания напряжения коммерческого входа переменного тока также могут дестабилизировать выходное напряжение постоянного тока. Эти недостатки могут не быть проблемой для таких задач, как зарядка аккумулятора, но могут привести к выходу из строя низковольтных ИС, что потребует более равномерного и стабильного постоянного тока. Источник питания, снабженный для этой цели стабилизирующей схемой (регулятором), называется стабилизированным источником питания.

Стабилизированные источники питания подразделяются на линейные и импульсные в зависимости от используемого метода. Линейные источники питания используются со времен электронных ламп. Принцип довольно прост: выходное напряжение регулируется включением в схему переменного резистора. Стабилитроны и ИС с тремя выводами (также известные как регуляторы с тремя выводами) являются примерами компонентов, которые функционируют как переменные резисторы.

Диоды Зенера

также называют диодами постоянного напряжения.Обычные диоды используются в качестве выпрямительных элементов, позволяя току течь в одном направлении, но не в противоположном. Однако, если напряжение прикладывается в обратном направлении и постоянно увеличивается, в конечном итоге будет достигнут порог, при котором диод резко начинает пропускать ток. Диоды Зенера используют это явление, чтобы позволить току течь только выше определенного напряжения; таким образом, его можно использовать для поддержания постоянного выходного напряжения.

Трехвыводная ИС — это компонент, который обнаруживает разницу между напряжением, установленным стабилитроном (известным как опорное напряжение), и фактическим выходным напряжением и стабилизирует напряжение, усиливая и корректируя его с помощью транзистора.Это называется «схема с тремя выводами», потому что вся схема построена на одном кристалле и имеет три контакта: IN, OUT и GND (земля). Они широко используются в электронных устройствах из-за их небольшого размера и простоты использования. Они выделяют большое количество тепла, требуя радиаторов для отвода тепла, поэтому они не подходят для источников питания с высокими требованиями к мощности. Однако из-за их простой схемы и низкого уровня шума они часто используются в измерительных приборах, медицинском оборудовании и высококачественном аудиооборудовании.

Импульсные источники питания привели к сокращению размеров, снижению веса и повышению эффективности

Наконец-то мы добрались до объяснения импульсных источников питания. Одним из наиболее распространенных среди нас импульсных источников питания является адаптер переменного тока мобильного телефона.Хотя его схема намного сложнее, чем у элементарного адаптера переменного тока, упомянутого ранее, он исключительно компактен благодаря микросхемам, используемым в схеме стабилизации. Тот факт, что в нем отсутствует большой и тяжелый силовой трансформатор, объясняет его небольшие размеры и вес.

Импульсные источники питания воплощают в себе множество технологий, которые на протяжении всей истории лежали в основе силовой электроники. Примерно с 1960 года полупроводники (диоды, транзисторы и т. д.) начали заменять электронные лампы, но улучшения размера и эффективности происходили медленно.Это было присуще линейным источникам питания, поскольку для отвода тепла от транзисторов требовались радиаторы, а трансформаторы были тяжелыми и громоздкими.

В импульсных источниках питания

применен совершенно иной подход к преодолению недостатков линейных источников питания. (Их разработка была поддержана программой НАСА «Аполлон».) Ключевое различие между двумя методами заключается в том, что линейный источник питания преобразует коммерческое напряжение переменного тока с помощью трансформатора и впоследствии выпрямляет его; импульсный источник питания сначала выпрямляет переменный ток в постоянный, а затем преобразует напряжение.После выпрямления тока напряжение больше не может быть преобразовано с помощью трансформатора. Вместо этого полупроводники (транзисторы и полевые МОП-транзисторы) управляют высокоскоростным переключением, которое преобразует выпрямленный ток в импульсную волну, которая затем подается на высокочастотный трансформатор, преобразующий напряжение. Это усложняет схему и требует большего количества компонентов, но в этом и заключается суть импульсного блока питания.

Существует несколько методов управления импульсными источниками питания, но наиболее распространенным является метод ШИМ (широтно-импульсная модуляция).Ширина импульсов (время включения и выключения тока) регулируется таким образом, чтобы «площадь» каждого импульса (как показано на графике) была нормализована для стабилизации напряжения. По эффективности этот метод намного превосходит линейный источник питания, который постоянно сбрасывает часть мощности в виде тепла в процессе стабилизации. Импульсный источник питания чрезвычайно эффективен, потому что он формирует выходную мощность, как если бы он вырезал и склеивал форму волны, при этом тратилось очень мало электроэнергии.

Размер трансформатора обратно пропорционален частоте, на которую он рассчитан. Частота коммерческого переменного тока составляет 50 или 60 Гц, поэтому трансформатор в линейном источнике питания неизбежно будет большим и тяжелым. С другой стороны, частота импульсных волн импульсного источника питания очень высока — от десятков до сотен килогерц, и для этого достаточно трансформатора гораздо меньшего размера и меньшего веса. Однако на высоких частотах трансформаторы с железными сердечниками становятся непрактичными из-за чрезмерных потерь мощности.Здесь незаменимым становится ферритовый сердечник. Например, повышение эффективности источников питания всего на 1% может оказать существенное энергосберегающее воздействие на общество в целом. Вот почему возлагаются большие надежды на ферритовые технологии TDK в области силовой электроники. Вместе с тем, у импульсных блоков питания есть и свои недостатки: в основном это генерация шума из-за высокоскоростного переключения. Традиционно блоки питания долгое время представляли собой борьбу с нагревом, а шум — дополнительная проблема.Это еще одна область, в которой вступают в игру технологии TDK.

Основы автоматического ввода резерва (АВР)

Переключатель нейтрали

Для приложений с трехфазным питанием, требующих переключения нейтрального проводника, безобрывные переключатели могут быть сконфигурированы с четвертым полюсом с полным номиналом, который работает так же, как отдельные фазные (A, B, C) полюса питания.Для однофазных приложений можно сконфигурировать третий полюс с полным номиналом. Переключаемая нейтраль обычно используется, когда безобрывной переключатель питается от отдельных источников питания.

Автоматический ввод резерва с изоляцией байпаса

Для упрощения обслуживания и увеличения времени безотказной работы автоматические переключатели резерва с развязкой байпаса обеспечивают двойную коммутационную функцию и резервирование для критически важных приложений. Первичный АВР обеспечивает повседневное распределение электроэнергии на нагрузку, а обходной переключатель служит в качестве резервного или резервного устройства.

Переключатель байпасной изоляции часто выбирают для использования в здравоохранении и других критически важных приложениях, поскольку он позволяет выдвигать и изолировать АВР, а в некоторых случаях и байпасный переключатель от источника(ов) питания, чтобы облегчить регулярное техническое обслуживание, проверку и тестирование в соответствии с нормами (NFPA 110).

Перекидные переключатели служебного входа

Объекты с одним подключением к инженерным сетям и одним источником аварийного питания часто имеют АВР, расположенные на служебном входе, чтобы гарантировать, что критические нагрузки могут быстро и безопасно переключиться на аварийное питание в случае прерывания питания от сети.Некритические нагрузки часто блокируются или отключаются от подключения к аварийному источнику питания, чтобы избежать перегрузки мощности.

Рейтинги

При использовании безобрывного переключателя в системе распределения электроэнергии необходимо учитывать номинальный выдерживаемый ток включения (WCR) для обеспечения целостности и надежности системы. Стандарт UL1008 позволяет маркировать автоматические переключатели одним или несколькими знаками защиты от короткого замыкания и/или короткого замыкания, относящимися к типу устройства защиты от перегрузки по току.Автоматические переключатели с несколькими номиналами обеспечивают большую гибкость применения.

Разница между линейным источником питания и SMPS (со сравнительной таблицей)

Линейный источник питания и Импульсный источник питания, оба обеспечивают питание постоянного тока для электрических и электронных цепей, но на этом сходство заканчивается. Решающим фактором, который отличает линейный источник питания от SMPS, является рабочий процесс. Линейный источник питания преобразует высокое напряжение переменного тока в низкое напряжение с помощью трансформатора, а затем преобразует его в постоянное напряжение, в то время как импульсный источник питания сначала преобразует переменный ток в постоянный, а затем преобразует это постоянное напряжение в желаемое напряжение.

Импульсный блок питания также сокращенно называется SMPS. SMPS чаще всего используется в мобильных зарядных устройствах , двигателях постоянного тока и т. д. Напротив, линейный источник питания используется в высокочастотных приложениях, таких как радиочастотное приложение и т. д.

Еще одним важным фактором, определяющим разницу между этими линейными блоками питания и SMPS, является размер. Линейный блок питания громоздкий, а SMPS легкий. Это делает SMPS портативным и может быть легко использован в любом месте, в то время как линейный источник питания может использоваться только для лабораторных или больших электрических и электронных схем.

Мы обсудим некоторые более существенные различия между линейным и импульсным блоком питания в сравнительной таблице, но перед этим давайте осветим дорожную карту этой статьи.

Содержание: Линейный источник питания и SMPS

Сравнительная таблица
Определение
Ключевые отличия
Заключение

Сравнительная таблица

Параметры	Линейный источник питания	Импульсный источник питания (SMPS)
Определение	Сначала понижает переменное напряжение, а затем преобразует его в постоянное.	Сначала он преобразует входной сигнал в постоянный, а затем понижает напряжение до желаемого уровня.
Эффективность	Низкая эффективность, т.е. около 20-25%	Высокая эффективность, т.е. около 60-65%
Регулирование напряжения	Регулирование напряжения осуществляется регулятором напряжения.	Регулировка напряжения осуществляется цепью обратной связи.
Используемый магнитный материал	Используется сердечник из стали или CRGO	Используется ферритовый сердечник
Вес	Громоздкий.	Менее громоздкий по сравнению с линейным блоком питания.
Надежность	Более надежный по сравнению с SMPS.	его надежность зависит от транзисторов, используемых для коммутации
Сложность	Менее сложная, чем SMPS.	Более сложный, чем линейный источник питания.
Переходная характеристика	Обладает более быстрой реакцией.	Обладает более медленным откликом.
ВЧ-помехи	ВЧ-помехи отсутствуют	ВЧ-экранирование требуется, так как переключение создает больше ВЧ-помех.
Шум и электромагнитные помехи	Невосприимчив к шуму и электромагнитным помехам.	Влияние шума и электромагнитных помех достаточно велико, поэтому необходимы фильтры электромагнитных помех.
Применения	Используется в аудиочастотных и радиочастотных приложениях.	Используется в зарядных устройствах мобильных телефонов, двигателях постоянного тока и т. д.

Определение

Линейный блок питания

Линейный источник питания представляет собой цепь питания, которая используется в электрических и электронных схемах для подачи питания постоянного тока в цепь.Он состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя, схемы фильтра и регулятора напряжения.

Переменный ток всегда подается с высоким напряжением, потому что подавать переменный ток с высоким напряжением экономически выгодно. Частота сигнала переменного тока очень низкая, т.е. 50 Гц или 60 Гц. Для снижения напряжения переменного тока используется понижающий трансформатор. Размер трансформатора велик для линейного источника питания.

Трансформатор, который используется для понижения низкочастотного сигнала переменного тока, будет громоздким.Если частота сигнала переменного тока высока, то можно использовать небольшой трансформатор, но в этом приложении сигнал переменного тока состоит из низкочастотного переменного тока, поэтому для схемы требуется большой размер и громоздкий трансформатор.

Затем понижающее напряжение подается на схему выпрямителя для преобразования его в постоянный ток. Напряжение постоянного тока, полученное от выпрямителя, состоит из импульсов переменного тока. Таким образом, схема фильтра используется для удаления пульсаций переменного тока.

Полученное напряжение постоянного тока не остается постоянным; он изменяется с изменением входного напряжения или значения нагрузочного резистора.Такое изменение выходного напряжения нежелательно. Поэтому стабилизатор напряжения используется после фильтрации сигнала.

Регулятор напряжения состоит из переменного резистора, значение которого изменяется в зависимости от требуемой мощности. Этот переменный резистор создает падение напряжения, когда требуемое выходное напряжение низкое.

Недостаток линейного источника питания

Недостатком линейного блока питания является то, что для использования стабилизатора напряжения требуется сток, что увеличивает размер блока питания.Регулятор напряжения рассеивает мощность, из-за чего возникают омических потерь с, это увеличивает температуру, поэтому требуется радиатор.

Вследствие использования радиатора и трансформатора большого размера размер линейного блока питания становится больше, что делает блок питания громоздким в использовании. Кроме того, рассеяние на переменном резисторе снижает КПД линейного источника питания до 25-50%.

Импульсный блок питания

Импульсный источник питания работал по принципу переключения с использованием МОП-транзистора . Он состоит из схемы выпрямителя, схемы фильтра, прерывателя, контроллера прерывателя, выходного трансформатора и схемы фильтра.

Принцип работы импульсного источника питания основан на технике переключения. Низкочастотный переменный ток сначала преобразуется в постоянный сигнал. Затем этот сигнал постоянного тока прерывается с помощью прерывателя. Цепь прерывателя состоит из переключающего транзистора MOSFET, который включается или выключается с помощью схемы контроллера прерывателя.

Выходной сигнал, полученный Чоппером, представляет собой высокочастотный сигнал постоянного тока.Теперь снова используется понижающий трансформатор для преобразования этого высокочастотного сигнала высокого напряжения в сигнал низкого напряжения. Понижающий трансформатор, используемый в этом случае, будет небольшого размера, потому что трансформатор, используемый для работы на высоких частотах, имеет небольшие размеры.

Это преимущество использования схемы SMPS (импульсный источник питания). Блок питания этой конфигурации не является громоздким и, следовательно, портативным. Регулирование напряжения в SMPS осуществляется схемой обратной связи. Цепь обратной связи получает вход от выходного напряжения постоянного тока и подает сигнал на контроллер прерывателя.Контроллер прерывателя генерирует стробирующий импульс в соответствии с выходным постоянным током.

Таким образом, регулирование напряжения в SMPS не рассеивает мощность и, следовательно, не требует стока. Это увеличивает эффективность источника питания SMPS, так как нет омических потерь, а размер также мал. КПД SMP
S находится в диапазоне 65-75%.

Основные различия между линейным источником питания и импульсным источником питания

Основное различие между линейным источником питания и SMPS заключается в том, что линейный источник питания сначала преобразует высокое напряжение переменного тока в низкое напряжение переменного тока, после чего происходит процедура выпрямления.Напротив, SMPS сначала преобразует сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока, а затем происходит понижение сигнала напряжения.
Линейный источник питания использует регулятор напряжения для регулирования напряжения выходного напряжения, в то время как SMPS использует цепь обратной связи для регулирования напряжения.
Рассеиваемая мощность также играет ключевую роль в дифференциации линейного источника питания и SMPS. Линейный источник питания также рассеивает мощность и, следовательно, требует радиатора, но SMPS не требует радиатора , поскольку рассеивание мощности отсутствует.
Понижающий трансформатор, используемый в линейном источнике питания , является громоздким , в то время как в SMPS понижающий трансформатор имеет малый вес.
Шумовая помеха больше в SMPS из-за коммутационного действия; это делает SMPS непригодными для аудио- и радиочастотных приложений. Линейный источник питания невосприимчив к шумовым помехам и поэтому используется в аудио- и радиочастотных приложениях.
Существует основное различие между эффективностью линейного источника питания и SMPS.КПД линейного источника питания низкий около 20-25% из-за омических потерь, а КПД ИИП высокий, т.е. около 65-75%.

Заключение

Линейный блок питания сначала понижает переменное напряжение, а затем преобразует его в постоянное, тогда как SMPS сначала преобразует в постоянное, а затем использует понижающий трансформатор для получения желаемого напряжения. У SMPS есть недостаток, заключающийся в том, что он создает шумовые помехи из-за переключения. Кроме того, переключение также создает электромагнитные помехи и РЧ помехи , таким образом, фильтры электромагнитных помех и радиочастотное экранирование также используются вместе с цепью SMPS.