Импульсные источники питания. Проектирование импульсного источника питания с активным ККМ. Эпизод I

Виды импульсных источников электропитания

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

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:

• Доступности комплектования;
• Надёжности;
• Возможности расширить рабочий диапазон для выходных напряжений.

Все устройства, в которых заложен принцип импульсного питания, практически ничем не отличаются друг от друга.

Элементами импульсного БП являются:

• Линейный источник питания;
• Источник питания Standby;
• Генератор (ЗПИ, управление);
• Ключевой транзистор;
• Оптопара;
• Цепи управления.

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:

• ШИМ-контроллера (управляет преобразованием широтно-импульсной модуляции);
• Каскада силовых ключей (состоит из транзисторов, которые включаются по одной из трёх схем: мостовой, полумостовой, со средней точкой);
• Импульсного трансформатора (имеет первичную и вторичную обмотки, которые монтируются вокруг магнитопровода).

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.

Сфера применения импульсных блоков питания в быту постоянно расширяется. Такие источники применяются для питания всей современной бытовой и компьютерной аппаратуры, для реализации источников бесперебойного электропитания, зарядных устройств для аккумуляторов различного назначения, реализации низковольтных систем освещения и для других нужд.

В некоторых случаях покупка готового источника питания мало приемлема с экономической или технической точки зрения и сборка импульсного источника собственными руками является оптимальным выходом из такой ситуации. Упрощает такой вариант и широкая доступность современной элементной базы по низким ценам.

Наиболее востребованными в быту являются импульсные источники с питанием от стандартной сети переменного тока и мощным низковольтным выходом. Структурная схема такого источника показана на рисунке.

Сетевой выпрямитель СВ преобразует переменное напряжение питающей сети в постоянное и осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения на выходе. Высокочастотный преобразователь ВЧП осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в переменное или однополярное , имеющее форму прямоугольных импульсов необходимой амплитуды.

В дальнейшем такое напряжение либо непосредственно, либо после выпрямления (ВН) поступает на сглаживающий фильтр, к выходу которого подключается нагрузка. Управление ВЧП осуществляется системой управления, получающей сигнал обратной связи от выпрямителя нагрузки.

Такая структура устройства может быть подвергнута критике из-за наличия нескольких звеньев преобразования, что снижает КПД источника. Однако, при верном выборе полупроводниковых элементов и качественном расчете и изготовлении моточных узлов, уровень потерь мощности в схеме мал, что позволяет получать реальные значения КПД выше 90%.

Принципиальные схемы импульсных блоков питания

Решения структурных блоков включают не только обоснование выбора вариантов схемной реализации, но и практические рекомендации по выбору основных элементов.

Для выпрямления сетевого однофазного напряжения используют одну из трех классических схем изображенных на рисунке:

• однополупериодную;
• нулевую (двухполупериодную со средней точкой);
• двхполупериодную мостовую.

Каждой из них присущи достоинства и недостатки, которые определяют область применения.

Однополупериодная схема отличается простотой реализации и минимальным количеством полупроводниковых компонентов. Основными недостатками такого выпрямителя являются значительная величина пульсации выходного напряжения (в выпрямленном присутствует лишь одна полуволна сетевого напряжения) и малый коэффициент выпрямления.

Коэффициент выпрямления Кв определяется соотношением среднего значения напряжения на выходе выпрямителя Udк действующему значению фазного сетевого напряжения Uф .

Для однополупериодной схемы Кв=0.45.

Для сглаживания пульсации на выходе такого выпрямителя требуются мощные фильтры.

Нулевая, или двухполупериодная схема со средней точкой , хоть и требует удвоенного числа выпрямительных диодов, однако, этот недостаток в значительной мере компенсируется более низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и ростом величины коэффициента выпрямления до 0.9.

Основным недостатком такой схемы для использования в бытовых условиях является необходимость организации средней точки сетевого напряжения, что подразумевает наличие сетевого трансформатора. Его габариты и масса оказываются несовместимыми с идеей малогабаритного самодельного импульсного источника.

Двухполупериодная мостовая схема выпрямления имеет те же показатели по уровню пульсации и коэффициенту выпрямления, что и нулевая схема,но не требует наличия сетевого . Это компенсирует и главный недостаток – удвоенное количество выпрямительных диодов как с точки зрения КПД, так и по стоимости.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения наилучшим решением является использование емкостного фильтра. Его применение позволяет поднять величину выпрямленного напряжения до амплитудного значения сетевого (при Uф=220В Uфм=314В). Недостатками такого фильтра принято считать большие величины импульсных токов выпрямительных элементов, но критичным этот недостаток не является.

Выбор диодов выпрямителя осуществляется по величине среднего прямого тока Ia и максимального обратного напряжения U BM .

Приняв величину коэффициента пульсации выходного напряжения Кп=10%, получим среднее значение выпрямленного напряжения Ud=300В. С учетом мощности нагрузки и КПД ВЧ преобразователя (для расчета принимается 80%, но на практике получится выше, это позволит получить некоторый запас).

Ia – средний ток диода выпрямителя, Рн- мощность нагрузки, η – КПД ВЧ преобразователя.

Максимальное обратное напряжение выпрямительного элемента не превышает амплитудного значения напряжения сети (314В), что позволяет использовать компоненты с величиной U BM =400В со значительным запасом. Использовать можно как дискретные диоды, так и готовые выпрямительные мосты от различных производителей.

Для обеспечения заданной (10%) пульсации на выходе выпрямителя емкость конденсаторов фильтра принимается из расчета 1мкФ на 1Вт выходной мощности. Используются электролитические конденсаторы с максимальным напряжением не менее 350В. Емкости фильтров для различных мощностей приведены в таблице.

Высокочастотный преобразователь: его функции и схемы

Высокочастотный преобразователь представляет собой однотактный или двухтактный ключевой преобразователь (инвертор) с импульсным трансформатором. Варианты схем ВЧ преобразователей приведены на рисунке.

Однотактная схема . При минимальном количестве силовых элементов и простоте реализации имеет несколько недостатков.

1. Трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
2. Для обеспечения мощности на выходе необходимо получить значительную амплитуду импульсного тока, протекающего через полупроводниковый ключ.

Схема нашла наибольшее применение в маломощных устройствах, где влияние указанных недостатков не столь значительно.

Чтобы самостоятельно поменять или установить новый счетчик, не требуется особых навыков. Выбор правильной обеспечит корректный учет потребляемого тока и повысит безопасность домашней электросети.

В современных условиях обеспечения освещения как внутри помещений, так и на улице все чаще используют датчики движения. Это придает не только комфорт и удобства в наши жилища, но и позволяет существенно экономить. Узнать практические советы по выбору места установки, схем подключения можно .

Двухтактная схема со средней точкой трансформатора (пушпульная) . Получила свое второе название от английского варианта (push-pull) описания работы. Схема свободна от недостатков однотактного варианта, но имеет собственные – усложненная конструкция трансформатора (требуется изготовление идентичных секций первичной обмотки) и повышенные требования к максимальному напряжению ключей. В остальном решение заслуживает внимания и широко применяется в импульсных источниках питания, изготавливаемых своими руками и не только.

Двухтактная полумостовая схема . По параметрам схема аналогична схеме со средней точкой, но не требует сложной конфигурации обмоток трансформатора. Собственным недостатком схемы является необходимость организации средней точки фильтра выпрямителя, что влечет четырехкратное увеличение количества конденсаторов.

Благодаря простоте реализации схема наиболее широко используется в импульсных источниках питания мощностью до 3 кВт. При больших мощностях стоимость конденсаторов фильтра становится неприемлемо высокой по сравнению с полупроводниковыми ключами инвертора и наиболее выгодной оказывается мостовая схема.

Двухтактная мостовая схема . По параметрам аналогична другим двухтактным схемам, но лишена необходимости создания искусственных «средних точек». Платой за это становится удвоенное количество силовых ключей, что выгодно с экономической и технической точек зрения для построения мощных импульсных источников.

Выбор ключей инвертора осуществляется по амплитуде тока коллектора (стока) I КМАХ и максимальному напряжению коллектор-эмиттер U КЭМАХ. Для расчета используются мощность нагрузки и коэффициент трансформации импульсного трансформатора.

Однако, прежде необходимо рассчитать сам трансформатор. Импульсный трансформатор выполняется на сердечнике из феррита, пермаллоя или витого в кольцо трансформаторного железа. Для мощностей до единиц кВт вполне подойдут ферритовые сердечники кольцевого или Ш-образного типа. Расчет трансформатора ведется исходя из требуемой мощности и частоты преобразования. Для исключения появления акустического шума частоту преобразования желательно вынести за пределы звукового диапазона (сделать выше 20 кГц).

При этом необходимо помнить, что при частотах близких к 100 кГц значительно возрастают потери в ферритовых магнитопроводах. Сам расчет трансформатора не составляет труда и легко может быть найден в литературе. Некоторые результаты для различных мощностей источников и магнитопроводов приведены в таблице ниже.

Расчет произведен для частоты преобразования 50 кГц. Стоит обратить внимание, что при работе на высокой частоте имеет место эффект вытеснения тока к поверхности проводника, что приводит к снижению эффективной площади обмотки. Для предотвращения подобного рода неприятностей и снижения потерь в проводниках необходимо выполнять обмотку из нескольких жил меньшего сечения. При частоте 50 кГц допустимый диаметр провода обмотки не превышает 0.85 мм.

Зная мощность нагрузки и коэффициент трансформации можно рассчитать ток в первичной обмотке трансформатора и максимальный ток коллектора силового ключа. Напряжение на транзисторе в закрытом состоянии выбирается выше, чем выпрямленное напряжение, поступающее на вход ВЧ-преобразователя с некоторым запасом (U КЭМАХ >=400В). По этим данным производится выбор ключей. В настоящее время наилучшим вариантом является использование силовых транзисторов IGBT или MOSFET.

Для диодов выпрямителя на вторичной стороне необходимо соблюдать одно правило – их максимальная рабочая частота должна превышать частоту преобразования. В противном случае КПД выходного выпрямителя и преобразователя в целом значительно снизятся.

Видео о изготовлении простейшего импульсного питающего устройства

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.

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.

Тут уже одной лапой точно не удержать… Ну в поход его точно не возьмешь, разве что на веревке за собой тащить. Вот вам первый минус - очень тяжелый. Далее - транзистор. Если нам нужны супер-пупер параметры, типа стабильное напряжение на выходе, чтобы и при пониженной сети работал, и при повышенной - значит обязательно транзистор будет стоять на радиаторе, на котором в самых жутких условиях можно будет жарить яичницу для себя и размораживать рыбу для усатых питомцев (Мррр!.. я что-то слышал?) Значит, второй минус линейных ИП - невысокий КПД и сильный нагрев. Вот за эти два главных минуса линейные блоки питания часто заменяют на импульсные.

Рисунок 3 Импульсный ИП

С первого взгляда схема кажется сложнее. Да, деталей больше:) Разве что уменьшаются они все на маленькой платке 5х10см и весят не больше 100 г. Да что там говорить! Смотрите фотографии! Эти же два блока питания на 60Вт. Слева - линейный, справа - импульсный.

Рисунок 4 Линейный и импульсный источники питания мощностью 60 Вт

«Так-так-так… остановите музыку!!! А где та чугунная железяка?» - спросите вы. Куда делся транзистор на радиаторе? Эээ, брат, тут вона как всё закручено…
Объясняю. Большую чугунную железяку мы заменили на маленький трансформаторик. Транзистор на огромном радиаторе не нужен вообще - напряжение на выходе стабилизировано другим способом, для которого нужен маленький транзистор на маленьком радиаторе. Да плюс ко всему у маленького импульсника есть защита от короткого замыкания, которой нет у «большого брата»:) Ну что, кого возьмем в поход? Конечно, малого, да удалого!
Теперь подамся в терминологию.

Импульсный источник питания (ИИП) - Общее название источников питания, в основе которых лежит импульсный (переключательный) принцип преобразования электрической энергии. Классификация ИИП распадается два подтипа:

- преобразователь - Источник питания с развязкой первичной и вторичной частей. Может быть повышающим, понижающим… хоть каким. На входе может быть любое напряжение, на выходе - тоже. Но обязательно первичная и вторичная части не имеют общего провода меж собой. То есть гальваническая развязка. Преобразователь может быть стабилизированным или нестабилизированным. Но, повторюсь, развязка обязательна!!!

Пример преобразователя - на рисунке:

Рисунок 5 Общая схема преобразователя

Принцип действия прост - ключевой транзистор по сигналам с блока управления накачивает в трансформатор энергию, трансформатор преобразует ее, то есть понижает, повышает или просто передает ее один-в-один, вторичный диод эту преобразованную энергию выпрямляет, конденсатор - сглаживает, чтобы напряжение было ровное и без пульсаций. Примеры преобразователей - сетевые источники питания. Все. По безопасности нужно, чтобы напряжение сети ни в коем случае не передавалось на выход блока питания, иначе у кого-то поджарится хвост, шерсть встанет дыбом, а усы завяжутся в узел.

- стабилизатор - Вот тут сейчас начнется путаница:) Это такой источник питания, у которого между первичной и вторичной частями есть общий провод. То есть у него есть вход (плюс и земля) и выход (плюс и земля). А земля у входа и выхода - одна и та же. Стабилизаторы делятся на три типа, о которых расскажу в статьях: понижающий, повышающий и инвертирующий. Стабилизаторы бывают регулируемые, нерегулируемые. Да, к типу стабилизаторов относятся ИИП, у которых стабилизации как таковой нет, но земляной провод все равно общий. Их схемы будем глядеть тоже:)

Примеры стабилизаторов - смотрим:

Рисунок 6 Общая схема стабилизатора

Работает эта штука немного по-другому: ключевой транзистор всё так же накачивает в трансформатор энергию, как это делать - ему советует блок управления, а вот дальше - совсем не так. Дроссель накапливает в себе энергию, пока транзистор открыт. Когда транзистор закрывается, ток через дроссель хочет протекать дальше, в этом ему помогает диод D1, который называется возвратным. Когда же ток уменьшается, транзистор открывается снова и процесс продолжается. Конденсатор С2 всё так же сглаживает пульсации. Немного непонятно, но графики и режимы работы рассмотрим попозже. Пока - чисто ознакомительная теория.

Как видно, общий провод на входе и на выходе - один и тот же общий провод. Никакой развязки нет. Примеры - многочисленные стабилизаторы «24В/12В», «12В/5В» и так далее. Везде, где нужно просто понизить напряжение с минимумом тепловых потерь и как можно меньшими размерами.