Импульсный блок питания: что это такое, принцип работы, схема, назначение

Вопросы и ответы
Содержание
  1. Что это такое?
  2. Преимущества и недостатки
  3. Преимущества импульсных источников
  4. Недостатки импульсных блоков
  5. Преимущества линейных БП
  6. Недостатки линейных источников
  7. Мощные импульсные ЛБП
  8. Лабораторный блок питания: импульсный или линейный?
  9. Схема линейного блока питания
  10. Безтранформаторные источники питания
  11. Как снизить массу и габариты трансформатора
  12. Альтернативные магнитные материалы
  13. Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного
  14. Какие бывают виды и где применяются
  15. Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП
  16. Входные цепи
  17. Высоковольтный выпрямитель и фильтр
  18. Инвертор
  19. Выпрямитель
  20. Фильтр
  21. Цепи обратной связи
  22. Как устроен ШИМ контроллер
  23. Принцип работы импульсного блока питания
  24. Разновидности блоков питания
  25. Схема БП
  26. Сфера применения импульсного блока питания
  27. Как сделать импульсный блок питания своими руками

Что это такое?

Инвертор представляет собой вторичный источник питания, использующий двойное преобразование входного переменного напряжения. Величина выходных параметров регулируется изменением длительности (ширины) импульсов и, в некоторых случаях, частоты их повторения. Этот тип модуляции называется широтно-импульсной модуляцией.

Преимущества и недостатки

Что выбрать? Линейный или импульсный блок питания?

Импульсные источники питания используются практически повсеместно. Они активно вытесняют с рынка менее практичные модели-трансформеры. Тем не менее, оценить сильные и слабые стороны пульсирующих и трансформаторных источников можно только в работе.

Каждый из рассмотренных типов блоков имеет свои преимущества и недостатки.

Так, например, КПД импульсного блока питания самый высокий, а мощность, по сравнению с трансформаторными моделями, значительно больше. В свою очередь линейные блоки питания просты по конструкции, надежны в эксплуатации и не требуют дорогостоящего ремонта. Отмечаем преимущества и недостатки, а также закрепляем характеристики LBP.

Преимущества импульсных источников

К преимуществам импульсных установок относятся:

  • высокий коэффициент стабилизации;
  • высокая эффективность;
  • более широкий диапазон входного напряжения;
  • более высокая мощность по сравнению с линейными устройствами;
  • отсутствие чувствительности к качеству питания и частоте входного напряжения;
  • небольшие габариты обеспечивают хорошую транспортабельность;
  • разумная цена.

Недостатки импульсных блоков

К очевидным недостаткам импульсного ИП относятся:

  • пульсирующая система питания обеспечивает высокочастотные помехи;
  • сложность схем, что негативно сказывается на надежности;
  • ремонт не всегда возможно сделать своими руками.

Преимущества линейных БП

Трансформатор ЛБП также имеет ряд преимуществ, среди которых:

  • простота и надежность конструкции;
  • высокая ремонтопригодность, а также низкие затраты на запчасти;
  • отсутствие радиопомех;

Недостатки линейных источников

Если определить недостатки линейных вторичных источников питания, то среди них можно выделить:

  • большой вес и габариты, что часто делает транспортировку очень неудобной;
  • обратная зависимость между КПД и стабильностью выходного напряжения;
  • высокая металлическая конструкция.

Мощные импульсные ЛБП

ИП импульсного типа могут быть спроектированы с большой выходной мощностью, десятки сотен ватт, и при этом они будут очень легкими и компактными. Наиболее яркими представителями этих устройств, например, являются MAISHENG LBP.

MAISHENG MP3060D (30В, 60А) 1800 Вт
MAISHENG MP6030D (60В, 30А) 1800 Вт
MAISHENG MP5050D (50В, 50А) 2500 Вт
MAISHENG MP5060D (50В, 60А) 3000 Вт
MAISHENG MP40010D (400В, 10А) 4000 Вт
MAISHENG MP15030D (150В, 30А) 4500 Вт
MAISHENG MP30150D (30В, 150А) 4500 Вт
MAISHENG MP6080D (60В, 80А) 4800 Вт
MAISHENG MP50100D (50В, 100А) 5000 Вт

Лабораторный блок питания: импульсный или линейный?

Современные блоки питания представлены большим выбором. Востребованы как импульсные, так и трансформаторные блоки питания. И цели, которые вы преследуете при покупке лабораторного блока питания, влияют на выбор типа оборудования.

Если вам всегда нужно иметь под рукой надежное устройство без радиопомех, которое редко ломается, а также легко ремонтируется, то обратите внимание на модели-трансформеры. Если для вас важна мощность и высокий КПД, стоит более подробно изучить модельный ряд импульсных агрегатов.

Если у вас остались вопросы по выбору ЛБП, рекомендуем прочитать несколько статей о выборе источников питания:

  • Лабораторные источники питания: дополнительные возможности;
  • Выберите программируемый источник питания постоянного тока.

Схема линейного блока питания

Основными задачами любого промышленного БП является снижение переменного напряжения 220 В (230 В) до требуемой величины, затем его выпрямление, сглаживание и стабилизация.

Поэтому любая схема линейного источника питания должна содержать как минимум следующие элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, блок стабилизации. Назначение каждого элемента более подробно объясняется здесь.

Теперь, рассматривая компоненты функциональной схемы линейного БП, поговорим о том, какие элементы приводят к увеличению массы и веса. В качестве выпрямителя часто используется диодный мост. Уменьшение размера особого эффекта не даст. Да и реализовать это будет сложно.

Блок стабилизации может быть реализован по-разному. Поэтому на этом тоже можно немного сэкономить. Остаются только два элемента: фильтр и трансформатор. Фильтр представляет собой электролитический конденсатор большой емкости. Но изменение параметров, как мы увидим ниже, не позволит вам получить какой-либо ощутимый выигрыш. Осталось изучить возможности способов минимизации трансформатора.

Основной задачей является передача мощности от высоковольтного источника к низковольтной стороне. В этом случае необходимо обеспечить гальваническую развязку высоковольтных и низковольтных цепей. Гальваническая развязка необходима подавляющему большинству устройств из соображений безопасности, как персонала, так и низковольтного оборудования.

Трансформатор, как никакой другой элемент, выполняет эти и другие условия. При этом он имеет максимальный КПД до 99%. По этой причине ему до сих пор не могут найти альтернативу, за что приходится расплачиваться увеличенной массой и размерами БП в целом.

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: можно ли вообще обойтись без трансформатора? Здесь ответ неоднозначен. И можно и нельзя. Кроме того, существуют бестрансформаторные блоки питания. Для снижения напряжения используется конденсатор. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока.

Именно это свойство было успешно использовано. Однако реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости. Поэтому при увеличении нагрузки необходимо использовать конденсатор большей емкости, что сильно влияет на габариты. Кроме того, увеличивается цена, так как он должен быть рассчитан на 400…450 В. Кроме всего прочего, использование реактивного сопротивления отрицательно сказывается на качестве электросети.

Коэффициент мощности cosφ уменьшается. Но самым большим недостатком является отсутствие гальванической развязки. Это исключает использование таких схем в подавляющем большинстве радиоэлектронной аппаратуры.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Так что мощность любого узла ИБП определяется всего двумя параметрами: напряжением и током.

П = U∙I.

Суммарная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением тока на напряжение. Поэтому рассмотрим, как размерность Т зависит от значения приложенного U и плавающего I. Возможно, здесь мы сможем на что-то повлиять.

Напряжение или, точнее, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, числом витков w и магнитным потоком Φ.

Е = 4,44∙f∙w∙Φ

Удалим коэффициент 4,44 для усиления, так как он соответствует синусоидальной форме тока. При импульсных источниках питания, где форма сигнала имеет форму прямоугольника, этот коэффициент имеет другое значение.

E ~ f∙w∙Φ

Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции В на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sc.

E ~ f∙w∙B∙Sc

Давайте подумаем об этой формуле с интересующей нас точки зрения. Размеры Т определяются размерами сердечника и обмоток. Проще говоря, можно обоснованно сказать, что размеры сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sc. А размеры обмотки зависят от числа витков w.

Теперь становится очевидным, что для сохранения того же значения электродвижущей силы Е при уменьшении числа витков w и площади поперечного сечения Sc, а следовательно, и габаритов трансформатора необходимо увеличивать либо частоту, либо индукция или эти два параметра одновременно.

Подавляющее большинство сердечников промышленных трансформаторов изготовлено из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это достаточно большое значение индукции.

Только чистое железо, имеющее максимально возможную индукцию из всех магнитных материалов, выше, чуть более 2 Тл. К сожалению, чистое железо непригодно для использования в электромагнитных устройствах из-за сильных потерь энергии при перемагничивании.

Альтернативные магнитные материалы

Пермаллой также используется в ряде стран. Пермаллой имеет несколько меньшую индукцию, чем электротехническая сталь, но имеет большее электрическое сопротивление. Благодаря этому уменьшаются потери на вихревые токи и, следовательно, потери холостого хода.

Относительно недавно на рынке появились аморфные и нанокристаллические сплавы по доступной цене. Они имеют высокое электрическое сопротивление, а их индуктивность приближается к индуктивности электротехнических сплавов. Кроме того, они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но мы не будем здесь останавливаться на этом.

Однако индукция известных в настоящее время магнитных материалов и сплавов не достигает величины, значительно превышающей индукцию электростали, то есть более 1,7 Тл. Поэтому в настоящее время невозможно значительно уменьшить габариты электромагнитного устройства за счет использование новых магнитных материалов.

Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое уменьшение массы и размеров — это увеличение частоты f переменного тока.

Отличия импульсного блока питания от обычного трансформаторного

Описание работ и замена блока питания
Схема трансформаторного стабилизированного блока питания.

Традиционный «трансформаторный» блок питания построен по схеме: трансформатор — выпрямитель с фильтром — стабилизатор выходного напряжения (может отсутствовать). Схема проста и отработана годами, но имеет существенный недостаток — с увеличением мощности габариты и вес растут более быстрыми темпами.

В первую очередь растут габариты и вес трансформера. Для увеличения тока необходимо увеличивать сечение обмоток, но основной вклад в массогабаритные характеристики вносит сердечник. Не вдаваясь в физические подробности, можно отметить, что эту проблему можно обойти, увеличив частоту, с которой происходит преобразование.

Чем выше частота, тем меньше ядра можно обойтись. Недаром в авиации и кораблестроении используются электрические сети частотой 400 Гц. Многие элементы намного легче и компактнее. Но в быту повышенную частоту взять неоткуда. 50 Гц в розетке — это все, что доступно потребителю. Поэтому блоки питания на большие токи строятся по другому принципу.

В них выпрямляется переменное напряжение сети, а затем из него «вырезаются» импульсы с более высокими (до нескольких десятков килогерц) частотами. Из-за этого трансформатор небольшой и легкий без потери мощности. Это главное, что отличает любой импульсный блок питания от обычного.

Еще одним источником увеличенных размеров и габаритов является стабилизатор. В традиционных блоках питания используются линейные стабилизаторы. Они требуют более высокого входного напряжения, и разница между входом и выходом, умноженная на ток нагрузки, бесполезно исчезает.

Это приводит к дополнительному увеличению массы трансформатора, который должен обеспечивать необходимый неиспользуемый запас мощности, а также требует больших и тяжелых радиаторов. В ИП это делается по-другому. Напряжение стабилизируется изменением ширины импульса. Это позволяет повысить КПД и не требует отвода избыточного тепла в таком количестве.

К недостаткам импульсных относятся сложные схемы и повышенные требования к надежности элементов. Эти недостатки исчезают с увеличением мощности. Считается, что трансформаторные блоки с линейными стабилизаторами подходят для выходных токов до 2..3 ампер, и чем выше нагрузка, тем ярче начинают проявляться преимущества ИИП. Для токов от 10 А о трансформаторных блоках питания обычно речь не идет.

Среди минусов пульсирующих источников также необходимо отметить создание помех в питающей сети и «замусоривание» выходного напряжения высокочастотными составляющими.

Какие бывают виды и где применяются

Импульсы можно разделить по разным критериям. По выходному напряжению они делятся на:

  • однополярные с одним уровнем напряжения;
  • ондополярный с несколькими уровнями напряжения;
  • биполярный.

Эти типы можно комбинировать как угодно — принципиальных ограничений нет. Можно создать блок питания, например, с несколькими однополярными напряжениями (+5 В, +24 В) и двухполярными (±12 В) или с двумя двухполярными выходами (±12 В, ±5 В). Все зависит от области использования.

Более интересна информация о типе стабилизации. Здесь ИИП можно разделить на категории:

  1. Нестабилизированные источники. Их выходное напряжение зависит от нагрузки. Их можно использовать для управления оконечными устройствами аудиоаппаратуры (усилители и т.п.).
  2. Стабилизированные источники. Для таких устройств нагрузка может не зависеть ни от напряжения, ни от тока, ни от того и другого. Источники со стабилизированным напряжением используются, например, в качестве блоков питания для компьютеров и серверов или для зарядки свинцовых аккумуляторов. Стабилизированный ток подходит для зарядных устройств для других типов аккумуляторов.
  3. Регулируемые источники. У них уровень выходного напряжения и тока можно задавать в определенных пределах, в зависимости от потребности. Такие устройства используются в качестве лабораторных источников питания.

Невозможно описать все области использования импульсов. Применяются там, где необходимо получить большой ток от легкого и компактного источника.

Также можно разделить ИИП по схемам:

  • с импульсным трансформатором;
  • с накопительной индуктивностью.

Можно углубиться в схемы и классифицировать БП по другим признакам, но принципиального смысла это не имеет.

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Структурная схема для импульсного источника сложнее, чем для трансформаторного источника. Чтобы понять принцип работы импульсного блока питания в целом, необходимо проанализировать функцию каждого узла в отдельности.

Описание работ и замена блока питания
Структурная схема импульсного источника питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузок при выходе из строя БП и от импульсных помех, возникающих при работе устройства. В качестве примера рассмотрим фильтр и защиту промышленного компьютера SMPS.

Описание работ и замена блока питания
Входные цепи импульсного выключателя МАВ-300В-П4.

Плавкий предохранитель на 5 ампер перегорает при превышении номинального тока во время аварии БП. Для защиты от перенапряжения поставлен варистор V1. В обычном режиме на работу устройства не влияет. При размыкании скачка в сети резко увеличивается сопротивление, увеличивается ток через варистор. Это приводит к срабатыванию предохранителя.

Термистор отрицательного сопротивления THR1 изначально имеет высокое сопротивление и ограничивает ток, протекающий для зарядки конденсаторов фильтра высоковольтного выпрямителя. Затем термистор нагревается проходящим через него током, сопротивление падает, но в это время емкости уже будут заряжены.

Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазный дроссель FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Высоковольтный выпрямитель обычно строится по традиционной двухполупериодной мостовой схеме и не имеет особых характеристик. Если в преобразователе используется полумостовая схема, то фильтр выполняется из двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих таким образом центральную точку с напряжением, равным половине напряжения питания.

Описание работ и замена блока питания
Часть импульсной цепи с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и с емкостным делителем напряжения С1-С2.

Иногда резисторы ставятся параллельно конденсаторам. Они необходимы для разряда емкостей после отключения питания.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых ключах (часто на транзисторах). Открываясь и закрываясь, ключи подают на обмотку импульсы напряжения. Этот метод создает своего рода переменное напряжение (однополярное), которое можно обычным образом преобразовать в напряжение другого уровня.

Описание работ и замена блока питания
Схема транзисторных инверторов.

Простейшая схема преобразователя постоянного напряжения в импульсное — однотактная. Для его реализации потребуется минимум элементов. Недостаток такого узла в том, что с увеличением мощности резко увеличиваются габариты и вес трансформатора. Это связано с принципом работы такого преобразователя.

Работает в два такта — во время первого транзистор открыт, энергия запасается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго накопленная энергия передается в нагрузку. Чем больше мощность, тем больше должна быть индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (соответственно увеличивается число витков во вторичных обмотках).

Двухтактная схема с центральной точкой (двухтактная) свободна от этого недостатка. Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые в свою очередь соединены с минусовой шиной через ключи. На рисунке красной стрелкой показано направление тока для одного цикла, а красной стрелкой для другого.

Недостатком является необходимость иметь в два раза больше витков в первичке, а также наличие выбросов в момент переключения. Их амплитуда может достигать удвоенного напряжения питания, поэтому необходимо использовать транзисторы с подходящими параметрами. Область применения такой схемы — низковольтные преобразователи.

Эмиссия отсутствует, если преобразователь выполнен по мостовой схеме. Мост состоит из четырех транзисторов, диагональ которых включает первичную обмотку трансформатора. Транзисторы открываются парами:

  • первый цикл — верхний левый и нижний правый;
  • вторая петля находится в левом нижнем и правом верхнем углу.

Обмотка подключается к токовому плюсу либо одним выводом, либо другим. Недостатком является использование 4-х транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом является использование полумостовой схемы. Здесь один конец первичной обмотки коммутируется, а другой подключается к перегородке из двух розеток. В этой схеме тоже нет броска напряжения, а используются только два транзистора.

Недостатком этого решения является то, что на первичную обмотку подается только половина питающего напряжения. Вторая проблема заключается в том, что при изготовлении мощных источников емкость развязывающих конденсаторов растет, и их стоимость становится нецелесообразной.

Если ИИП построен по схеме с регулировкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев управление ключами осуществляется не напрямую от микросхемы ШИМ, а через промежуточный узел — драйвер. Это связано с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.

Описание работ и замена блока питания
Фрагмент схемы промышленного источника импульсов — полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформаторе Т1.

В схемах всех инверторов используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие в себе характеристики обоих типов.

Выпрямитель

Напряжение, преобразованное во вторичные обмотки, должно быть выпрямлено. Если требуется выходное напряжение выше +12 вольт, можно использовать обычные мостовые схемы (как в высоковольтной секции).

Описание работ и замена блока питания
Схема блока питания переменного тока с выходным напряжением до 30 вольт и двухполупериодным мостовым выпрямителем.

Если напряжение низкое, целесообразно использовать двухполупериодные схемы со средней точкой. Их преимущество в том, что падение напряжения происходит только на одном диоде за каждый полупериод. Это уменьшает количество витков в обмотке. С этой же целью применяют диоды Шоттки и сборки на них. Недостатком этого решения является более сложная конструкция вторичной обмотки.

Описание работ и замена блока питания
Схема выпрямителя с центральной точкой и токоподводом.

Фильтр

Выпрямленное напряжение необходимо фильтровать. Для этой цели используются как традиционные емкости, так и индуктивности. Для используемых частот преобразования катушки индуктивности небольшие, легкие, но работают эффективно.

Описание работ и замена блока питания
Схема цепей выходных фильтров каналов пульсирующего компьютерного блока питания.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи используются для стабилизации и регулировки выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник нестабилен, он не имеет этих цепей. Для устройств со стабилизацией тока или напряжения эти цепи выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью регулировки).

Для контролируемых источников (лабораторных и т.п.) обратная связь включает проверки оперативной корректировки параметров.

Блок питания компьютера также имеет схему управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и т д).

Как устроен ШИМ контроллер

В стабилизированных и регулируемых источниках питания выходное напряжение поддерживается с помощью метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Суть метода заключается в том, что на первичную обмотку подают импульсы постоянной амплитуды и частоты. Для регулировки напряжения в зависимости от нагрузки или выбранного уровня изменяется ширина импульса.

Импульсы, преобразованные во вторичную обмотку, затем выпрямляются и усредняются на выходном конденсаторе фильтра. Чем больше ширина импульса, тем выше среднее напряжение. Если выходное напряжение падает в результате увеличения тока нагрузки, ШИМ-контроллер сравнивает выходное напряжение с заданным и дает команду на увеличение ширины импульса.

Если напряжение увеличивается, ширина импульса уменьшается. Среднее напряжение также уменьшается.

Описание работ и замена блока питания
Принцип регулирования выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции.

TL494 считается культовой микросхемой для построения пульсирующих источников. На примере можно разобрать принцип работы
питание ШИМ контроллера.

Описание работ и замена блока питания
Распиновка TL494.

Назначение выводов микросхемы указано в таблице.

Прямой вход усилителя ошибки 1 В 1 1 16 IN2 Прямой вход усилителя ошибки 1
Неисправный усилитель, инвертирующий вход 1 В 1 2 15 IN2 Неисправный усилитель, инвертирующий вход 1
Обратная связь Фейсбук 3 14 Ссылка Выход опорного напряжения
Отложенное управление временем Код неисправности 4 1. 3 АУТЫ Выбор режима работы
Конденсатор для задания частоты С 5 12 ВКК Напряжение питания
Резистор подстройки частоты Р 6 11 С2 Коллектор второго транзистора
Общий провод ЗАЗЕМЛЕНИЕ 7 10 Е1 Эмиттер 1 транзистора
Коллектор 1 транзистора С1 8 9 Е2 Эмиттер для второго транзистора

На выводы 7 и 12 подается напряжение питания +7..40 вольт. На выходе микросхемы установлены два транзистора, которые можно использовать для управления внешними ключами. Коллекторы (выводы 8 и 11) и эмиттеры (10 и 9) выходных транзисторов никуда не подключены.

Они могут быть включены в цепь с открытым коллектором или открытым эмиттером. Микросхема оптимизирована для управления ключами на биполярных транзисторах, но путем применения несколько усложненных схемных решений можно изменить и полевые транзисторы.

Описание работ и замена блока питания
Структурная схема TL494.

Частота генератора задается элементами, подключенными к выводам 5 и 6. Напряжение на выводе 4 ограничивает ширину выходного импульса. Это необходимо, чтобы избежать «перекрытия» открытия транзисторов, чтобы не было ситуации, когда оба ключа открыты. Через этот выход также можно организовать плавный пуск БП.

Вывод 13 используется для перевода микросхемы в однотактный режим. Если его подключить к общему проводу, то импульсы на выходах обоих ключей будут одинаковыми. На выводе 14 присутствует постоянное опорное напряжение +5 вольт. Его можно использовать для всех целей проектирования цепей.

Выводы 1 и 2 действуют как прямые и обратные выводы усилителя ошибки. Если напряжение на выводе 1 превышает напряжение на выводе 2, ширина выходных импульсов уменьшится пропорционально разнице на этих выводах. Если напряжение на выводе 2 больше, чем на выводе 1, импульсов на выходе не будет.

Второй усилитель ошибки тоже работает (выводы 16 и 15). Выходы обоих усилителей соединены по схеме ИЛИ и подключены к выводу 3. Первый усилитель обычно используется для регулирования напряжения, второй – для регулирования тока.

Описание работ и замена блока питания
Схема для SMPS на TL494.

В качестве примера можно рассмотреть схему лабораторного источника на этой микросхеме. Здесь используются практически все технические решения, описанные выше. Регулируемая обратная связь, выполненная на операционных усилителях ОР1..ОР4, позволяет регулировать уровень выходного напряжения и ограничивать ток.

Для создания пульсирующего напряжения используется полумостовой инвертор на биполярных транзисторах, подключенных к микросхеме через драйвер.

Для наглядности рекомендуем серию тематических видео.

При создании ИИП используются и другие микросхемы ШИМ-регуляторов. Они могут отличаться от TL494 функциональностью и назначением контактов, но принцип работы у них тот же. Разобраться в их работе не сложно.

Читайте также: Перфоратор Hitachi DH24PC3: характеристики

Принцип работы импульсного блока питания

Работа преобразователя основана на выпрямлении первичного напряжения и дальнейшем преобразовании его в последовательность высокочастотных импульсов. В этом он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока используется для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов.

Управляя шириной импульса, 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 могут сильно различаться в зависимости от того, как работает блок питания.

Разновидности блоков питания

Было использовано несколько типов инверторов, которые отличаются по своей схеме построения:

  • бестрансформаторный;
  • трансформатор.

Первые отличаются тем, что последовательность импульсов поступает непосредственно на выходной выпрямитель и выравнивающий фильтр устройства. Такая компоновка имеет минимум компонентов. Простой преобразователь включает в себя специализированную интегральную схему — генератор ширины импульса.

импульсный-безтрансформаторный-блок-питание

Из недостатков бестрансформаторных устройств наиболее важным является то, что они не имеют гальванической развязки от сети и могут представлять опасность поражения электрическим током. Кроме того, они обычно имеют небольшую выходную мощность и обеспечивают только 1 значение выходного напряжения.

импульсы подаются на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно, что позволяет генерировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена собственным выпрямителем и выравнивающим фильтром.

Мощный импульсный блок питания для любого компьютера строится по схеме, обладающей высокой надежностью и безопасностью. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 вольт, так как эти значения требуют наиболее точной стабилизации.

Применение трансформаторов для преобразования высокочастотного напряжения (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило во много раз уменьшить их габариты и массу и использовать в качестве материала сердечника не электрожелезо, а ферромагнитные материалы с большой коэрцитивной силой (магнитопровод.

импульсный-трансформаторный-блок-питание

Преобразователи постоянного тока также построены на основе широтно-импульсной модуляции. Без использования инверторных схем преобразование было сопряжено с большими трудностями.

Схема БП

В схему наиболее распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

  • сетевой фильтр шумоподавления;
  • выпрямители;
  • сглаживающий фильтр;
  • преобразователь ширины импульса;
  • ключевые транзисторы;
  • выходной высокочастотный трансформатор;
  • выходные выпрямители;
  • вне индивидуальных и групповых фильтров.

импульсный-трансформаторный-блок-питания-схема

Фильтр шумоподавления предназначен для задержки помех от работы агрегата до сети. Переключение силовых полупроводниковых элементов может сопровождаться формированием кратковременных импульсов в широком диапазоне частот. Поэтому здесь необходимо использовать специально разработанные для этой цели элементы в качестве проходных конденсаторов фильтрующих блоков.

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

Что такое импульсный блок питания и где он применяется

В случае, когда используется DC/DC-преобразователь, выпрямитель и фильтр становятся ненужными, и входной сигнал после прохождения цепей фильтра помех поступает непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ — самая сложная часть схемы питания. Его миссия включает в себя:

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

Сигнал ШИМ подается на управляющие выходы мощных ключевых транзисторов, включенных по мостовой или полумостовой схеме. Силовые выводы транзисторов нагружены на первичную обмотку высокочастотного выходного трансформатора.

Вместо традиционных биполярных транзисторов используются транзисторы IGBT или MOSFET, которые характеризуются малым падением напряжения на переходах и высоким быстродействием. Улучшенные параметры транзистора позволяют снизить потери мощности при тех же габаритных и конструктивных параметрах.

Трансформатор выходных импульсов использует тот же принцип преобразования, что и классический. Исключение составляет работа с более высокой частотой. В результате высокочастотные трансформаторы при той же передаваемой мощности имеют меньшие габариты.

Напряжение со вторичной обмотки силового трансформатора (их может быть несколько) поступает на выходные выпрямители. В отличие от входного выпрямителя выпрямительные диоды вторичной цепи должны иметь повышенную рабочую частоту. В этой части схемы лучше всего работают диоды Шоттки. Их преимущества перед обычными:

  • высокая рабочая частота;
  • уменьшенная емкость p-n перехода;
  • небольшое падение напряжения.

Выходной фильтр импульсного источника питания предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного выходного напряжения до необходимого минимума. Так как частота пульсаций намного выше сетевого напряжения, нет необходимости в больших значениях емкости конденсаторов и индуктивности катушек.

Сфера применения импульсного блока питания

Импульсные преобразователи напряжения применяются в большинстве случаев вместо традиционных трансформаторов с полупроводниковыми стабилизаторами.

При одинаковой мощности преобразователи отличаются меньшими габаритными размерами и массой, высокой надежностью, а главное — более высоким КПД и возможностью работы в широком диапазоне входных напряжений. А при сравнимых габаритах максимальная мощность инвертора в разы выше.

В такой области, как прямое преобразование напряжения, импульсные источники практически не имеют альтернативной замены и способны работать не только на понижение напряжения, но и генерировать сеанс, организовывать смену полярности. Высокая скорость преобразования облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

Небольшие преобразователи на основе специализированных интегральных схем используются в качестве зарядных устройств для всех типов гаджетов, а их надежность такова, что срок службы зарядного устройства может в несколько раз превышать время работы мобильного устройства.

Драйверы тока 12 Вольт для включения светодиодных источников света также построены по импульсной схеме.

Как сделать импульсный блок питания своими руками

Инверторы, особенно мощные, имеют сложные схемы и доступны для повторения только опытным радиолюбителям. Для самостоятельной сборки сетевых блоков питания рекомендуются простые маломощные схемы с использованием специализированных микросхем ШИМ-контроллеров.

Такие ИС имеют малое количество накладных элементов и имеют проверенные типовые схемы включения, практически не требующие наладки и настройки.

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

Оцените статью
Блог об электричестве
Adblock
detector