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. 3. Инвертирующий импульсный источник питания (Uвых
Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.
Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^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.
Импульсный источник питания – электронная схема, где входное напряжение выпрямляется, фильтруется, нарезается пачками импульсов высокой частоты для передачи через малогабаритный трансформатор. Блок становится управляемым, с гибко подстраиваемыми параметрами. Уменьшается масса самой тяжелой части источника – трансформатора. В англоязычной литературе такие приборы именуются Switching-Mode Power Supply (SMPS).
Прибор SMPS (импульсный источник питания)
Размеры трансформаторов волновали еще Теслу. Ученый повторяя опыт за опытом, установил: высокие частоты тока безопасны для человека, провоцируют большие потери в сердечниках трансформаторов. Результатом споров стало принятие частоты 60 Гц для строительства Ниагарской ГЭС. Начали с Николы Тесла, потому что это первый человек, который понял, что быстрые колебания механическим способом не получишь. Следовательно, приходится использовать колебательные контуры. Так появился трансформатор Тесла (22 сентября 1896 года), при помощи которого ученый задумал передавать на расстояние сообщения и энергию.
Суть изобретения описана в разделе про , приведем краткие сведения. Трансформатор образован двумя частями, включенными последовательно. Первичная обмотка первого подключалась к источнику переменного напряжения сравнительно низкой частоты. Благодаря низкому коэффициенту трансформации происходил заряд конденсатора, подключенного ко вторичной обмотке, до высокого потенциала. Напряжение достигало порога, пробивался разрядник, включенный параллельно конденсатору. Начинался колебательный процесс разряда через первичную обмотку второго трансформатора во внешнюю цепь. Тесла получал напряжения радиодиапазона амплитудой миллионы вольт.
Первые шаг в создании импульсных блоков питания, где напряжение сравнительно низкой частоты преобразуется в импульсы. Аналогичную конструкцию создал в 1910 году Чарльз Кеттеринг, оборудуя системы зажигания автомобилей. Импульсные блоки питания появились в 60-е годы. Идея минимизации размеров трансформаторов (после Николы Тесла) выдвинута компанией General Electric в 1959 году в лице Джозефа Мерфи и Фрэнсиса Старчеца (U.S. Patent 3,040,271). Идея не сразу нашла горячий отклик (отсутствовала подходящая элементная база), в 1970 году компания Тектроникс выпустила линейку осциллографов с новым источником питания.
Двумя годами позже инверторы находят применение в электронике (Patent US3697854 A), главное – появляются первые отечественные модели! Патенты ссылаются друг на друга, невозможно понять, кто первым предложил использовать идею в персональных компьютерах. В СССР разработки начались в 1970 году, связано с появлением в продаже высокочастотного мощного германиевого транзистора 2Т809А. Как оговаривается в литературе, первым в 1972 году добился успеха москвич, кандидат технических наук Л. Н. Шаров. Позже появился импульсный блок питания 400 Вт авторством А. И. Гинзбурга, С. А. Эраносяна. Вычислительные машины ЕС новинкой оборудованы в 1976 году коллективом под руководством Ж. А. Мкртчяна.
Первые импульсные блоки питания, известные отечественному потребителю по цифровым телевизорам и видеомагнитофонам, часто ломались, современные изделия лишены недостатка – работают непрерывно годами. Момент начала 90-х годов снабжает следующими сведениями:
Линейные источники питания громоздкие, эффективность хромает. КПД редко превышает 30%. Для импульсных блоков питания средние цифры лежат в диапазоне 70 — 80%, существуют изделия, сильно выбивающиеся из ряда. В лучшую сторону, разумеется. Приводятся сведения: КПД импульсного блока питания достигает 98%. Одновременно снижаются требуемые фильтрации емкости конденсаторов. Энергия, запасаемая за период, сильно падает с повышением частоты. Зависит прямо пропорционально от ёмкости конденсатора, квадратично от амплитуды напряжения.
Повышение до частоты 20 кГц (в сравнении с 50/60) снижает линейные размеры элементов в 4 раза. Цветочки в сравнении с ожиданиями в радиодиапазоне. Объясняет причину оснащения приемников конденсаторами малого размера.
Входное напряжение выпрямляется. Процесс осуществляет диодный мост, реже одиночный диод. Затем напряжение нарезается импульсами, здесь литература бодро переходят к описанию трансформатора. Читателей наверняка мучает вопрос – как работает чоппер (устройство, формирующее импульсы). На основе микросхемы, питающейся непосредственно сетевым напряжением 230 вольт. Реже специально ставится стабилитрон (стабилизатор параллельного типа).
Микросхема формирует импульсы (20 — 200 кГц), сравнительно малой амплитуды, управляющие тиристором или иным полупроводниковым силовым ключом. Тиристор нарезает высокое напряжение импульсами, по гибкой программе, формируемой микросхемой генератора. Поскольку на входе действует высокое напряжения, нужна защита. Генератор охраняется варистором, сопротивление которого резко падает при превышении порога, замыкая вредный скачок на землю. С силового ключа пачки импульсов поступают на малогабаритный высокочастотный трансформатор. Линейные размеры сравнительно невысоки. Для компьютерного блока питания мощностью 500 Вт умещается детской ладонью.
Полученное напряжения вновь выпрямляется. Используются диоды Шоттки, спасибо низкому падению напряжения перехода металл-полупроводник. Спрямленное напряжение фильтруется, подается потребителям. Благодаря наличию множества вторичных обмоток достаточно просто получаются номиналы различной полярности и амплитуды. Рассказ неполон без упоминания цепи обратной связи. Выходные напряжения сравниваются с эталоном (например, стабилитрон), происходит подстройка режима генератора импульсов: от частоты, скважности зависит передаваемая мощность (амплитуда). Изделия считаются сравнительно неприхотливыми, могут функционировать в широком диапазоне питающих напряжений.
Корпусной блок питания
Технология носит название инверторной, используется сварщиками, микроволновыми печами, индукционными варочными панелями, адаптерами сотовых телефонов, iPad. Компьютерный блок питания работает подобным образом.
Природой предоставлено 14 базовых топологий реализации импульсных блоков питания. С присущими достоинствами, уникальными характеристиками. Некоторые подходят созданию маломощных блоков питания (ниже 200 Вт), другие лучшие качества проявляют при питании сетевым напряжением 230 вольт (50/60 Гц). И чтобы выбрать нужную топологию, сумейте представить свойства каждой. Исторически первыми называют три:
Три топологии относятся к линейным регуляторам. Тип приборов считается предшественником импульсных блоков питания, не включая достоинств. Напряжение подается через трансформатор, спрямляется, нарезается на силовом ключе. Работой регулятора заведует обратная связь, в задачи которой входит формирование сигнала ошибки. Тип приборов составлял многомиллиардный оборот в 60-е годы, мог лишь понижать напряжение, а общий провод потребителя замыкался с сетью питания.
Так появились «олени». Первоначально предназначенные для постоянного напряжения нарезали входной сигнал импульсами, затем пачки спрямлялись, фильтровались с получением средней мощности. Обратная связь контролировала скважность, частоту (широтно-импульсная модуляция). Аналогичное делается сегодня компьютерными блоками питания. Практически сразу были достигнуты значения плотности мощности 1 — 4 Вт на кубический дюйм (впоследствии до 50 Вт на кубический дюйм). Прелестно, что стало можно получать множество выходных напряжений, развязанных со входом.
Недостатком сочтем потери в момент переключения транзистора, напряжение меняет полярность, остается ниже нуля до следующего импульса. Указанная часть сигнала, минуя диод, замыкается на землю, не доходя фильтра. Обнаружено существование оптимальных частот переключения, при которых издержки минимизируются. Диапазон 25 — 50 кГц.
Топология именуется кольцевым дросселем, ставится вперед ключа. Удается повысить входное напряжение до нужного номинала. Схема работает следующим образом:
Топология полярного инвертора похожа на предыдущую схему, дроссель расположен за ключом. Работает следующим образом:
В этом случае наблюдаем параллельность процессов запасания/расходования энергии. Все три рассмотренные схемы демонстрируют следующие недостатки:
Минусы устраняются двухтактной тяни-толкай (push-pull), запаздывающей (latter) топологиями. Обе используют чоппер с технологией опережения (forward). В первом случае используется дифференциальная пара транзисторов. Становится возможным использовать один ключ на половину периода. Для управления нужна специальная формирующая схема, попеременно раскачивающая эти качели, улучшаются условия отвода тепла. Нарезанное напряжение двухполярное, питает первичную обмотку трансформатора, вторичных много – сообразно требованиям потребителей.
В запаздывающей топологии один транзистор заменен диодом. Схема часто эксплуатируется маломощными блоками питания (до 200 Вт) с постоянным напряжением на выходе 60 — 200 В.
СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ
СТАТЬЯ ПОДГОТОВЛЕНА НА ОСНОВЕ КНИГИ А. В. ГОЛОВКОВА и В. Б ЛЮБИЦКОГО "БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT" ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЛАД и Н»
Схема стабилизации выходных напряжений в рассматриваемом классе ИБП представляет собой
замкнутую петлю автоматического регулирования (рис. 31). Эта петля включает в себя:
схему управления 8;
согласующий предусилительный каскад 9;
управляющий трансформатор DT;
силовой каскад 2;
силовой импульсный трансформатор РТ;
выпрямительный блок 3;
дроссель межканальной связи 4;
блок фильтров 5;
делитель напряжения обратной связи 6;
делитель опорного напряжения 7.
В составе схемы управления 8 имеются следующие функциональные узлы:
усилитель сигнала рассогласования 8.1 с цепью коррекции Zk;
ШИМ-компаратор (модулятор) 8.2;
генератор пилообразного напряжения (осциллятор) 8.3;
источник опорного стабилизированного напряжения Uref 8.4.
В процессе работы усилитель сигнала рассогласования 8.1 сравнивает выходной сигнал делителя
напряжения б с опорным напряжением делителя 7. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный
модулятор 8.2, управляющий предоконечным каскадом усилителя мощности 9, который, в свою очередь, подает
модулированный управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя 2 через управляющий трансформатор
DT. Питание силового каскада производится по бестрансформаторной схеме. Переменное напряжение питающей
сети выпрямляется сетевым выпрямителем 1 и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами
емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением
и затем осуществляется усиление полученной разности (сигнала рассогласования) с введением соответствующей
компенсации. Широтно-импульсный модулятор 8.2 преобразует аналоговый сигнал управления в широтно-модулированный
сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса. В рассматриваемом классе ИБП схема модулятора осуществляет
сравнение сигнала, поступающего с выхода усилителя сигнала рассогласования с напряжением пилообразной
формы, которое получается от специального генератора 8.3.
Рисунок 31. Контур регулирования типового импульсного блока питания на основе управляющей микросхемы TL494.
Рисунок 32. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП PS-200B.
Рисунок 33. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП LPS-02-150XT.
Рисунок 34. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП "Appis".
Рисунок 35. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП GT-200W.
Однако наиболее распространенным является случай, когда регулировка, позволяющая воздействовать
на выходные напряжения блока, отсутствует. В этом случае напряжение на любом из входов 1 или 2 выбирается
произвольным в пределах от +2,5 до +5 В, а напряжение на оставшемся входе подбирается с помощью высокоом-ного
шунтирующего резистора таким, чтобы блок выдавал оговоренные в паспорте выходные напряжения в номинальном
нагрузочном режиме. Рис. 35 иллюстрирует случай подбора уровня опорного напряжения, рис. 34 - показывает
случай подбора уровня сигнала обратной связи. Ранее было отмечено, что значение нестабильности выходного
напряжения при воздействии любых дестабилизирующих факторов (изменение тока нагрузки, напряжения питающей
сети и температуры окружающей среды) можно было бы уменьшить, увеличивая коэффициент усиления цепи обратной
связи (коэффициент усиления усилителя DA3).
Однако максимальное значение коэффициента усиления DA3 ограничивается условием обеспечения
устойчивости. Поскольку как ИБП, так и нагрузка содержат реактивные элементы (индуктивность или емкость),
накапливающие энергию, то в переходных режимах происходит перераспределение энергии между этими элементами.
Это обстоятельство может привести к тому, что при определенных параметрах элементов переходный процесс
установления выходных напряжений ИБП примет характер незатухающие колебаний, или же величина перерегулирования
в переходном режиме будет достигать недопустимых значений.
Рисунок 36. Переходные процессы (колебательный и апериодический) выходного напряжения ИБП при скачкообразном
изменении тока нагрузки (а) и входного напряжения (б).
На рис. 36 изображены переходные процессы выходного напряжения при скачкообразном изменении тока нагрузки и входного напряжения. ИБП работает устойчиво, если выходное напряжение вновь принимает установившееся значение после прекращения действия возмущения, выведшего его из первоначального состояния (рис. 37,а).
Рисунок 37. Переходные процессы выходного напряжения ИБП в устойчивой (а) и неустойчивой (б) системах.
Если это условие не соблюдается, то система является неустойчивой (рис.37,6). Обеспечение устойчивости импульсного блока питания является необходимым условием его нормального функционирования. Переходный процесс в зависимости от параметров ИБП носит колебательный или апериодический характер, при этом выходное напряжение ИБП имеет определенное значение перерегулирования и время переходного процесса. Отклонение выходного напряжения от номинального значения выявляется в измерительном элементе цепи обратной связи (в рассматриваемых ИБП в качестве измерительного элемента используется резистивный делитель, подключаемый к шине выходного напряжения +5В). Из-за инерционности петли регулирования номинальное значение выходного напряжения устанавливается с определенным запаздыванием. При этом схема управления по инерции некоторое время еще будет продолжать свое воздействие в том же направлении. В результате этого имеет место перерегулирование, т.е. отклонение выходного напряжения от его номинального значения в направлении, противоположном первоначальному отклонению. Схема управления вновь изменяет выходное напряжение в противоположную сторону и т.д. Для того чтобы обеспечить устойчивость петли регулирования выходных напряжений ИБП при минимальной длительности переходного процесса, амплитудно-частотная характеристика усилителя ошибки DA3 подвергается коррекции. Это делается с помощью RC-цепочек, включаемых как цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель DA3. Примеры таких корректирующих цепочек показаны на рис. 38.
Рисунок 38. Примеры конфигурвции корректирующих RC-цепочек для усилителя ошибки по напряжению DA3.
Для уменьшения уровня помехообразования на вторичной стороне импульсного блока питания устанавливаются апериодические
RC-цепочки. Остановимся подробнее на принципе их действия.
Переходный процесс тока через диоды выпрямителя в моменты коммутации происходит в виде ударного
возбуждения (рис. 39,а).
Рисунок 39. Временные диаграммы напряжения на диоде восстановления обратного сопротивления:
а) - без RC-цепочки; б) - при наличии RC-цепочки.
| ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ IBM | Рассматриваются основные параметры импульсных блоков питания, приведена цоколевка разъема, принцип работы от напряжения сети 110 и 220 вольт, | |
| Подробно расписана микросхема TL494, схема включения и варианты использования для управления силовыми ключами импульсных блоков питания. | ||
| УПРАВЛЕНИЕ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ ИМПУЛЬСНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ ПРИ ПОМОЩИ TL494 | Описаны основные способы управления базовыми цепями силовых транзисторов импульсных блоков питания, варианты построения выпрямителей вторичного питания. | |
| СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ | Описаны варианты использования усилителей ошибки TL494 для стабилизации выходных напряжений, описан принцип работы дросселя групповой стабилизации. | |
| СХЕМЫ ЗАЩИТЫ | Описаны несколько вариантов построения систем защиты импульсных болков питания от перегрузки | |
| СХЕМА "МЕДЛЕННОГО ПУСКА" | Описаны принципы формирования мягкого старта и выработки напряжения POWER GOOD | |
| ПРИМЕР ПОСТРОЕНИЯ ОДНОГО ИЗ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ | Полное описание принципиальной схемы и ее работы импульсного блока питания | |
Введение
Импульсные источники питания в настоящее время уверенно приходят на смену устаревшим линейным. Причина - свойственные данным источникам питания высокая производительность, компактность и улучшенные показатели стабилизации.
При тех стремительных изменениях, которые претерпели принципы питания электронной техники за последнее время, информация о расчете, построении и использовании импульсных источников питания становиться все более актуальной.
В последнее время в среде специалистов в области электроники и радиотехники, а также в промышленном производстве особую популярность завоевали импульсные источники питания. Наметилась тенденция отказа от типовых громоздких трансформаторных и переход на малогабаритные конструкции импульсных блоков питания, преобразователей напряжения, конвертеров, инверторов.
В общем, тема импульсных источников питания достаточно актуальная и интересная, и является одной из важнейших областей силовой электроники. Данное направление электроники перспективное и стремительно развивающееся. И его основной целью является разработка мощных устройств питания, отвечающих современным требованиям надежности, качества, долговечности, минимизации массы, размеров, энерго- и материалоемкости. Необходимо отметить, что практически вся современная электроника, включая всевозможные ЭВМ, аудио-, видеотехнику и другие современные устройства питается от компактных импульсных блоков питания, что еще раз подтверждает актуальность дальнейшего развития указанной области источников питания.
1. Принцип функционирования импульсных источников питания
Импульсный источник питания является инверторной системой. В импульсных источниках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы - это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.
Рисунок 1 - Структурная схема импульсного источника питания
Напряжение сети поступает на выпрямитель, после чего сглаживается емкостным фильтром. С конденсатора фильтра, напряжение которого возрастает, выпрямленное напряжение через обмотку трансформатора поступает на коллектор транзистора, выполняющего функцию ключа. Устройство управления обеспечивает периодическое включение и выключение транзистора. Для надежного запуска БП используется задающий генератор, выполненный на микросхеме. Импульсы подаются на базу ключевого транзистора и вызывают запуск цикла работы автогенератора. На устройство управления возлагается функция отслеживания уровня выходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственного управления ключом. Питание микросхемы задающего генератора осуществляется цепочкой резисторов непосредственно с входа накопительной емкости, стабилизируя напряжение опорной емкостью. За работу оптопары отвечает задающий генератор и ключевой транзистор вторичной цепи. Чем сильнее открыты транзисторы, отвечающие за работу оптрона, тем меньше амплитуда импульсов обратной связи, тем раньше выключится силовой транзистор и тем меньше энергии накопится в трансформаторе, что вызовет прекращение роста напряжения на выходе источника. Наступил рабочий режим источника питания, где не малую роль отводится оптопаре, как регулировщику и управленцу выходными напряжениями.
Спецификация промышленного источника питания более жесткая, чем у обычного бытового источника питания. Это выражается не только в том, что на входе источника питания действует высокое трехфазное напряжение, но еще и в том, что промышленные источники питания должны сохранять работоспособность при существенном отклонении входного напряжения от номинального значения, включая провалы и броски напряжения, а также пропадание одной или нескольких фаз.
Рисунок 2 - Принципиальная схема импульсного источника питания.
Схема работает следующим образом. Трехфазный вход может быть выполнен по трехпроводной, четырехпроводной схеме или даже однофазным. Трехфазный выпрямитель состоит из диодов D1 - D8.
Резисторы R1 - R4 осуществляют защиту от броска напряжения. Использование защитных резисторов с размыканием при перегрузке делает ненужным использование отдельных вставок плавких. Входное выпрямленное напряжение фильтруется П-образным фильтром, состоящим из С5, С6, С7, С8 и L1.
Резисторы R13 и R15 уравнивают напряжение на входных фильтрующих конденсаторах.
Когда открывается MOSFET микросхемы U1, потенциал истока Q1 понижается, ток затвора обеспечивается резисторами R6, R7 и R8, соответственно емкость переходов VR1… VR3 отпирает Q1. Диод Зенера VR4 ограничивает напряжение исток-затвор приложенное к Q1. Когда MOSFET U1 закрывается, напряжение стока ограничивается на уровне 450 вольт ограничительной цепочкой VR1, VR2, VR3. Любое дополнительное напряжение на конце обмотки будет рассеиваться на Q1. Такое подключение эффективно распределяет суммарное выпрямленное напряжение на Q1 и U1.
Цепочка поглощения VR5, D9, R10, поглощает избыточное напряжение на первичной обмотке, возникающее из-за индукции рассеяния трансформатора во время обратного хода.
Выходное выпрямление осуществляется диодом D1. C2 - выходной фильтр. L2 и C3 формируют вторую ступень фильтра для снижения нестабильности выходного напряжения.
VR6 начинает проводить, когда выходное напряжение превышает падение на VR6 и оптопаре. Изменение выходного напряжения вызывает изменение тока, текущего через диод оптопары U2, который в свою очередь вызывает изменение тока через транзистор оптопары U2. Когда этот ток превышает порог на выводе FB микросхемы U1, следующий рабочий цикл пропускается. Заданный уровень выходного напряжения поддерживается путем регулирования числа пропущенных и совершенных рабочих циклов. Когда рабочий цикл начался, он закончиться, когда ток через микросхему U1 достигнет установленного внутреннего предела. R11 ограничивает ток через оптопару и устанавливает коэффициент усиления обратной связи. Резистор R12 подает смещение на VR6.
Эта схема защищена от обрыва петли обратной связи, КЗ на выходе, перегрузки благодарю функциям, встроенным в U1 (LNK304). Так как микросхема запитывается прямо со своего вывода сток, не требуется отдельная обмотка питания.
В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.
2. Основные параметры и характеристики импульсных источников питания
Классификация импульсных источников питания (ИИП) производится по нескольким основным критериям:
По виду входного и выходного напряжения;
По типологии;
По форме выходного напряжения;
По типу питающей цепи;
По напряжению на нагрузке;
По мощности нагрузки;
По роду тока нагрузки;
По числу выходов;
По стабильности напряжения на нагрузке.
По виду входного и выходного напряжения
1. AC/DC - это преобразователи переменного напряжения в постоянное. Такие преобразователи применяют в самых разных областях - это промышленная автоматика, телекоммуникационное оборудование, контрольно-измерительное оборудование, оборудование промышленного назначения для обработки данных, средства обеспечения безопасности, а также техника специального назначения.
2. DC/DC - это преобразователи постоянного напряжения. В таких DC/DC конверторах используют импульсные трансформаторы с двумя и более обмотками, причем между входной и выходной цепью связь отсутствует. Импульсные трансформаторы имеют большую разность потенциалов между входом и выходом конвертора. Примером их применения может быть блок питания (БП) для импульсных фотовспышек с напряжением на выходе порядка 400 В.
3. DC/AC - это преобразователи постоянного напряжения в переменное (инвентор). Основная область применения инверторов - работа в подвижном составе железнодорожных и других транспортных средств, имеющих бортовую электросеть постоянного напряжения. Также они могут быть применены в качестве основных преобразователей в составе источников резервного питания.
Высокая перегрузочная способность позволяет осуществлять питание широкого спектра устройств и оборудования, включая конденсаторные двигатели компрессоров холодильных установок и кондиционеров.
По типологии ИИП классифицируются следующим образом:
обратноходовые импульсные преобразователи (flybackconverter);
прямоходовые импульсные преобразователи (forwardconverter);
преобразователи с двухтактным выходом (push-pull);
преобразователи с полумостовым выходом (halfbridgeconverter);
преобразователи с мостовым выходом (fullfbridgeconverter).
По форме выходного напряжения ИИП классифицируются так:
1. C модифицированной синусоидой
2. C синусоидой правильной формы.
Рисунок 3 - Формы выходного сигнала
По типу питающей цепи:
ИИП, использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети переменного тока;
ИИП, использующие электрическую энергию, получаемую от трехфазной сети переменного тока;
ИИП, использующие электрическую энергию автономного источника постоянного тока.
По напряжению на нагрузке:
По мощности нагрузки:
ИИП малой мощности (до 100 Вт);
ИИП средней мощности (от100 до 1000 Вт);
ИИП большой мощности (свыше 1000 Вт).
По роду тока нагрузки:
ИИП с выходом на переменном токе;
ИИП с выходом на постоянном токе;
ИИП с выходом на переменном и постоянном токе.
По числу выходов:
одноканальные ИИП, имеющие один выход постоянного или переменного тока;
многоканальные ИИП, имеющие два или более выходных напряжений.
По стабильности напряжения на нагрузке:
стабилизированные ИИП;
нестабилизированные ИИП.
3. Основные способы построения импульсных источников питания
На рисунке ниже будет представлен внешний вид импульсного источника питания.
Рисунок 4 - Импульсный источник питания
Итак, для начала в общих чертах обозначим, какие основные модули есть в любом импульсном блоке электропитания. В типовом варианте импульсный блок питания условно можно разделить на три функциональные части. Это:
1. ШИМ-контроллер (PWM), на базе которого собирается задающий генератор обычно с частотой около 30…60 кГц;
2. Каскад силовых ключей, роль которых могут выполнять мощные биполярные, полевые или IGBT (биполярные с изолированным затвором) транзисторы; этот силовой каскад может включать в себя дополнительную схему управления этими самыми ключами на интегральных драйверах или маломощных транзисторах; также важна схема включения силовых ключей: мостовая (фул-бридж), полумостовая (халф-бридж) или со средней точкой (пуш-пул);
3. Импульсный трансформатор с первичной (ыми) и вторичной (ыми) обмоткой (ами) и, соответственно, выпрямительными диодами, фильтрами, стабилизаторами и проч. на выходе; в качестве сердечника обычно выбирается феррит или альсифер; в общем, такие магнитные материалы, которые способны работать на высоких частотах (в некоторых случаях свыше 100 кГц).
Существует три основных способа построения импульсных ИП (см. рис.3): повышающая (выходное напряжение выше входного), понижающая (выходное напряжение ниже входного) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность). Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.
импульсный источник питание напряжение
Рисунок 5 - Типовые структурные схемы импульсных источников питания
Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток, протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. Запасенная 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.
4. Разновидности схемотехнических решений импульсных источников питания
Схема ИИП 90-х годов показана на рис.6. Источник питания содержит сетевой выпрямитель VD1-VD4, помехоподавляющий фильтр L1C1-СЗ, преобразователь на коммутирующем транзисторе VT1 и импульсном трансформаторе Т1, выходной выпрямитель VD8 с фильтром C9C10L2 и узел стабилизации, выполненный на стабилизаторе DA1 и оптроне U1.
Рисунок 6 - Импульсный источник питания 1990-х годов
Схема ИИП показана на рис.7. Предохранитель FU1 защищает элементы от аварийных ситуаций. Терморезистор RK1 ограничивает импульс зарядного тока конденсатора С2 до безопасного для диодного моста VD1 значения, а совместно с конденсатором С1 образует RC-фильтр, служащий для уменьшения импульсных помех, проникающих из ИИП в сеть. Диодный мост VD1 выпрямляет сетевое напряжение, конденсатор С2 - сглаживающий. Выбросы напряжения первичной обмотки трансформатора Т1 уменьшает демпфирующая цепь R1C5VD2. Конденсатор С4 является фильтром питания, от которого запитаны внутренние элементы микросхемы DA1.
Выходной выпрямитель собран на диоде Шотки VD3, пульсации выходного напряжения сглаживает LC-фильтр C6C7L1C8. Элементы R2, R3, VD4 и U1 обеспечивают совместно с микросхемой DA1 стабилизацию выходного напряжения при изменении тока нагрузки и сетевого напряжения. Цепь индикации включения выполнена на светодиоде HL1 и токоограничивающем резисторе R4.
Рисунок 7 - Импульсный источник питания 2000-х годов
На рис.8 двухтактный импульсный блок питания с полумостовым включением силового оконечного каскада, состоящего из двух мощных MOSFET IRFP460. В качестве ШИМ-контроллера выбрали микросхему К1156ЕУ2Р.
Дополнительно с помощью реле и ограничивающего резистора R1 на входе реализован плавный пуск, позволяющий избежать резких бросков тока. Реле можно применить на напряжение как 12, так и 24 вольта с подбором резистора R19. Варистор RU1 защищает входную цепь от импульсов чрезмерной амплитуды. Конденсаторы С1-С4 и двухобмоточный дроссель L1 образуют сетевой помехоподавляющий фильтр, предотвращающий проникновение высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем, в питающую сеть.
Подстроечный резистор R16 и конденсатор С12 определяют частоту преобразования.
Для уменьшения ЭДС самоиндукции трансформатора Т2 параллельно каналам транзисторов включены демпферные диоды VD7 и VD8. Диоды Шоттки VD2 и VD3 защищают коммутирующие транзисторы и выходы микросхемы обратного напряжения DA2 от импульсов.
Рисунок 8 - Современный импульсный источник питания
Заключение
В ходе проделанной научно-исследовательской работы мною проведено исследование импульсных источников питания, позволившее проанализировать существующую схемотехнику данных устройств и сделать соответствующие выводы.
Импульсные источники питания обладают гораздо большими преимуществами по сравнению с другими - у них более высокий КПД, они имеют существенно меньшие массу и объём, кроме того они обладают гораздо меньшей себестоимостью, что в конечном итоге приводит к их сравнительно небольшой цене для потребителей и, соответственно, высокому спросу на рынке.
Многие современные электронные компоненты, используемые в современных электронных устройствах и системах, требуют высокого качества питания. Кроме того, выходное напряжение (ток) должно быть стабильным, иметь требуемую форму (например, для инверторов), а также минимальный уровень пульсаций (например, для выпрямителей).
Таким образом, импульсные источники питания являются неотъемлемой частью любых электронных устройств и систем, питающихся как от промышленной сети 220 В, так и других источников энергии. При этом надежность работы электронного устройства напрямую зависит от качества источника питания.
Таким образом, разработка новых усовершенствованных схем импульсных источников питания позволит улучшить технические и эксплуатационные характеристики электронных устройств и систем.
Список используемой литературы
1. Гуревич В.И. Надежность микропроцессорных устройств релейной защиты: мифы и реальность. - Проблемы энергетики, 2008, № 5-6, с.47-62.
2. Источник питания [Электронный ресурс] // Википедия. - Режим доступа: http://ru. wikipedia.org/wiki/Источник_питания
3. Вторичный источник питания [Электронный ресурс] // Википедия. - Режим доступа: http://ru. wikipedia.org/wiki/Вторичный_источник_ питания
4. Высоковольтные источники питания [Электронный ресурс] // ООО "Оптосистемы" - Режим доступа: http://www.optosystems.ru/power _supplies_about. php
5. Ефимов И.П. Источники питания - Ульяновский Государственный Технический Университет, 2001, с.3-13.
6. Области применения силовых источников питания [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.power2000.ru/apply_obl.html
7. Компьютерные блоки питания [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://offline.computerra.ru/2002/472/22266/
8. Эволюция импульсных источников питания [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.power-e.ru/2008_4_26. php
9. Принцип работы импульсных источников питания [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://radioginn. ucoz.ru/publ/1-1-0-1
Понятие, назначение и классификация вторичных источников питания. Структурная и принципиальная схемы вторичного источника питания, работающего от сети постоянного тока и выдающего переменное напряжение на выходе. Расчет параметров источника питания.
курсовая работа , добавлен 28.01.2014
Источники вторичного электропитания как неотъемлемая часть любого электронного устройства. Рассмотрение полупроводниковых преобразователей, связывающих системы переменного и постоянного тока. Анализ принципов построения схем импульсных источников.
дипломная работа , добавлен 17.02.2013
Источник питания как устройство, предназначенное для снабжения аппаратуры электрической энергией. Преобразование переменного напряжения промышленной частоты в пульсирующее постоянное напряжение с помощью выпрямителей. Стабилизаторы постоянного напряжения.
реферат , добавлен 08.02.2013
Стабилизация среднего значения выходного напряжения вторичного источника питания. Минимальный коэффициент стабилизации напряжения. Компенсационный стабилизатор напряжения. Максимальный ток коллектора транзистора. Коэффициент сглаживающего фильтра.
контрольная работа , добавлен 19.12.2010
Совмещение функций выпрямления с регулированием или со стабилизацией выходного напряжения. Разработка схемы электрической структурной источника питания. Понижающий трансформатор и выбор элементной базы блока питания. Расчет маломощного трансформатора.
курсовая работа , добавлен 16.07.2012
Расчёт трансформатора и параметров интегрального стабилизатора напряжения. Принципиальная электрическая схема блока питания. Расчет параметров неуправляемого выпрямителя и сглаживающего фильтра. Подбор выпрямительных диодов, выбор размеров магнитопровода.
курсовая работа , добавлен 14.12.2013
Анализ системы вторичных источников электропитания зенитного ракетного комплекса "Стрела-10". Характеристика схематических импульсных стабилизаторов. Анализ работы модернизированного стабилизатора напряжения. Расчет его элементов и основных параметров.
дипломная работа , добавлен 07.03.2012
Принцип работы инверторного источника питания сварочной дуги, его достоинства и недостатки, схемы и конструкции. Эффективность эксплуатации инверторных источников питания с точки зрения энергосбережения. Элементная база выпрямителей с инвертором.
курсовая работа , добавлен 28.11.2014
Последовательность сбора инвертирующего усилителя, содержащего функциональный генератор и измеритель амплитудно-частотных характеристик. Осциллограмма входного и выходного сигналов на частоте 1 кГц. Схема измерения выходного напряжения, его отклонения.
лабораторная работа , добавлен 11.07.2015
Анализ электрической цепи: обозначение узлов, токов. Определение входного и выходного сигналов, передаточной характеристики четырехполюсника. Структурная схема системы управления. Реакции системы на единичное ступенчатое воздействие при нулевых условиях.
Принцип реализации вторичной мощности за счёт применения дополнительных устройств, обеспечивающих энергией схемы, уже достаточно давно используется в большей части электроприборов. Этими устройствами являются блоки питания . Они служат для преобразования напряжения до необходимого уровня. БП могут быть как встроенными, так и отдельными элементами. Принципов преобразования электроэнергии существует два. Первый основан на применении аналоговых трансформаторов, а второй основан на использовании импульсных блоков питания. Разница между этими принципами довольно большая, но, к сожалению, не все её понимают. В этой статье разберёмся, как работает импульсный блок питания и чем же он так отличается от аналогового. Давайте же начнём. Поехали!
Первыми появились именно трансформаторные БП. Их принцип работы заключается в том, что они меняют структуру напряжения с помощью силового трансформатора, который подключён к сети 220 В. Там снижается амплитуда синусоидальной гармоники, которая направляется дальше к выпрямительному устройству. Затем происходит сглаживание напряжения параллельно подключенной ёмкостью, которая подбирается по допустимой мощности. Регулирование напряжения на выходных клеммах обеспечивается благодаря смене положения подстроечных резисторов.
Теперь перейдём к импульсным БП. Они появились несколько позже, однако, сразу завоевали немалую популярность за счёт ряда положительных особенностей, а именно:
Все устройства, в которых заложен принцип импульсного питания, практически ничем не отличаются друг от друга.
Элементами импульсного БП являются:
Чтобы подобрать блок питания с конкретным набором параметров, воспользуйтесь сайтом ChipHunt.
Давайте, наконец, разберёмся, как работает импульсный блок питания. В нём применяются принципы взаимодействия элементов инверторной схемы и именно благодаря этому достигается стабилизированное напряжение.
Сперва на выпрямитель поступает обычное напряжение 220 В, далее происходит сглаживание амплитуды при помощи конденсаторов ёмкостного фильтра. После этого выполняется выпрямление проходящих синусоид выходным диодным мостом. Затем происходит преобразование синусоид в импульсы высоких частот. Преобразование может выполняться либо с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей, либо без выполнения такой развязки.
Если БП с гальванической развязкой, то сигналы высокой частоты направляются на трансформатор, который и осуществляет гальваническую развязку. Для увеличения эффективности трансформатора повышается частота.
Работа импульсного БП основана на взаимодействии трёх цепочек:
Если же блок питания без развязки, то ВСЧ разделительный трансформатор не используется, при этом сигнал подаётся сразу на фильтр низких частот.
Сравнивая импульсные блоки питания с аналоговыми, можно увидеть очевидные преимущества первых. ИБП имеют меньший вес, при этом их КПД значительно выше. Они имеют более широкий диапазон питающих напряжений и встроенную защиту. Стоимость таких БП, как правило, ниже.
Из недостатков можно выделить наличие высокочастотных помех и ограничений по мощности (как при высоких, так и при низких нагрузках).
Проверить ИБП можно при помощи обычной лампы накаливания. Обратите внимание, что не следует подключать лампу в разрыв удалённого транзистора, поскольку первичная обмотка не рассчитана на то, чтобы пропускать постоянный ток, поэтому ни в коем случае нельзя допускать его пропускания.
Если лампа светится, значит, БП работает нормально, если же не светится, то блок питания не работает. Короткая вспышка говорит о том, что ИБП блокируется сразу после запуска. Очень яркое свечение свидетельствует об отсутствии стабилизации выходного напряжения.
Теперь вы будете знать на чём основан принцип работы импульсного и обычного аналогового блоков питания. Каждый из них имеет свои особенности строения и работы, которые следует понимать. Также вы сможете проверить работоспособность ИБП при помощи обычной лампы накаливания. Пишите в комментариях была полезной для вас эта статья и задавайте любые интересующие вопросы по рассмотренной теме.
