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.

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

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.

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)

Появление импульсных источников 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:

1. Удельная мощность: 35 — 120 Вт на кубический дециметр.
2. Рабочая частота инвертора: 30 — 150 кГц.
3. КПД: 75 — 85%.
4. Время наработки на отказ: 50 — 200 тысяч часов (6250 рабочих дней).

Достоинства импульсных блоков питания

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.

Устройство импульсных источников питания

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.

Схемотехника импульсных блоков питания

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:

• Buck – бак, олень, доллар.
• Boost – ускорение.
• Polarity inverter – инвертор полярности.

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.

Buck топология

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.

Boost топология

Топология именуется кольцевым дросселем, ставится вперед ключа. Удается повысить входное напряжение до нужного номинала. Схема работает следующим образом:

1. В начальный момент времени транзистор открыт, дроссель запасается энергией источника напряжения через коллекторный, эмиттерный p-n-переходы, землю.
2. Затем ключ запирается, стартует процесс зарядки конденсатора. Дроссель отдает энергию.
3. В некоторый момент отрабатывает усилитель обратной связи, начинается питание нагрузки. Конденсатор неспособен отдать энергию в сторону силового ключа, мешает диод. Заряд забирает полезная нагрузка.
4. Падение напряжения вызовет повторное срабатывание цепи обратной связи, начнется накопление энергии дросселем.

Polarity Inverter топология

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:

1. Имеется связь по постоянному току между входом и выходом. Другими словами, отсутствует гальваническая развязка.
2. Невозможно получить несколько номиналов напряжений из одной схемы.

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.

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.

• Введение
• Заключение

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

Подобные документы

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.

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.