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

Что это такое?

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

Принцип работы импульсного блока питания

Работа инвертора основана на выпрямлении первичного напряжения и его дальнейшем преобразовании в последовательность высокочастотных импульсов. Этим он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока используется для генерации сигнала отрицательной обратной связи, позволяющего 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 отличаться в зависимости от того, как работает импульсный источник питания.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную блок-схему этого устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью преобразуется амплитуда питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок — выпрямитель, его задача — преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этого используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), соединенные по мостовой схеме. Их принцип действия можно найти на нашем сайте.

Следующий блок выполняет две функции: выравнивает напряжение (для этого используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо для того, чтобы напряжение «не спало» при увеличении нагрузки.

Данная структурная схема значительно упрощена, как правило, источник такого типа имеет входной фильтр и схемы защиты, но это не является существенным для объяснения работы устройства.

Все недостатки вышеперечисленного варианта прямо или косвенно связаны с главным конструктивным элементом — трансформатором. Во-первых, его вес и размер ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным, приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес этого блока около 4 килограммов, габариты 125х124х89 мм. Вы можете представить, сколько весит зарядное устройство для ноутбука на его основе.

Во-вторых, цена таких устройств иногда в несколько раз превышает общую стоимость других комплектующих.

Импульсные устройства

Как видно из блок-схемы, представленной на рисунке 3, принцип работы этих устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, прежде всего, из-за отсутствия входного понижающего трансформатора.

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

• На сетевой фильтр подается питание, его задача — минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие при работе.
• Кроме того, устройство работает для преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
• На следующем этапе к процессу подключается инвертор, задача которого связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
• Следующий блок — IT, он нужен для работы в автоматическом режиме генератора, питания цепей, защиты, управления контроллером и нагрузкой. Кроме того, перед ИТ-отделом стоит задача обеспечить гальваническую развязку между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства состоит из ферримагнитных материалов, что способствует надежной передаче радиочастотных сигналов, которые могут находиться в диапазоне 20–100 кГц. Особенность ИТ в том, что при подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать миниатюрные устройства, например, электронную обвязку (балласт) светодиода или энергосберегающую лампу.

• После этого в работу входит выходной выпрямитель, так как он работает с высокочастотным напряжением, для процесса требуются быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели используются диоды Шоттки.
• На завершающем этапе производится сглаживание на полезном фильтре, после чего на нагрузку подается напряжение.

Теперь, как и было обещано, рассмотрим принцип работы главного элемента этого устройства — инвертора.

Разновидности блоков питания

Нашли применение разные типы инверторов, которые отличаются конструктивной схемой:

• без трансформатора;
• трансформатор.

Первые отличаются тем, что последовательность импульсов отправляется непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум компонентов. Простой инвертор включает в себя ASIC, генератор ширины импульса.

Среди недостатков бестрансформаторных устройств главный — они не имеют гальванической развязки от электросети и могут представлять опасность поражения электрическим током. Они также обычно имеют низкую мощность и дают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых последовательность высокочастотных импульсов подается на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно, что позволяет формировать разные выходные напряжения. Каждая вторичная обмотка загружена на свой выпрямитель и сглаживающий фильтр.

По такой схеме построен мощный импульсный блок питания любого компьютера, обладающий высокой надежностью и безопасностью. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 вольт, так как эти значения требуют наиболее точной стабилизации.

Использование трансформаторов для преобразования напряжения в высокую частоту (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило во много раз уменьшить его габариты и вес и использовать в качестве материала сердечника (магнитопровода) ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой.

Преобразователи постоянного тока также построены на основе широтно-импульсной модуляции. Преобразование было затруднено без использования инверторных схем.

Ультратонкие

В эту категорию входят блоки питания толщиной от 12 до 20 мм мощностью до 200 Вт и до 35 мм мощностью до 400 Вт. Их удобно спрятать в деталях интерьера или использовать в ограниченном пространстве. Эти источники необходимы для размещения рекламных вывесок, световых коробов и т.д.

Так выглядит ультратонкий импульсный блок питания.

Влагозащищенные

По степени защиты источники вторичных напряжений можно разделить на обычные и влагостойкие. Чтобы определить, к какой категории принадлежит источник, необходимо найти на его паспортной табличке или в технической документации обозначение типа IP ZY, где Z — число от 0 до 6, обозначающее защиту от попадания твердых частиц, а второе число Y (от 0 до 9) — защита от воды. Чем выше значение, тем выше безопасность. Следовательно, IP20 означает, что блок питания никаким образом не защищен от проникновения воды, а IP 67 означает, что устройство выдержит погружение на глубину 100 см в течение получаса. Нужно понимать, что за все нужно платить и при выборе блока питания для использования в жилом доме экономически нецелесообразно покупать устройство с высоким уровнем безопасности. И наоборот, источник, предназначенный для работы на открытом воздухе, должен иметь уровень влагостойкости не менее 3. Если класс защиты ниже, источник питания будет работать до первого дождя.

Блок питания защищен от попадания влаги.

Если вместо одного из чисел в IP-обозначении содержится буква X (например, IP2X), это означает, что устройство не сертифицировано для этой защиты (хотя она может присутствовать).

С активным охлаждением

Мощные блоки питания часто оснащены вентилятором для повышения эффективности рассеивания тепла. Из-за этого габариты радиаторов (и всего блока) несколько малы, но при работе такого блока питания он издает заметный шум. Это необходимо учитывать при выборе вторичного источника напряжения для внутреннего использования.

Активный блок охлаждения.

Однотактный, обратноходовый импульсный блок питания

Рассмотрим несимметричный источник питания, выполненный по схеме автогенератора. Выходное напряжение — 16 В, мощность устройства — 15 Вт.

На входе устройства выпрямляется переменное напряжение электрической сети с помощью диодного моста, собранного на диодах D1-D4 (можно использовать любые диоды, рассчитанные на напряжение 400 В и ток 0,5 А, например, N4007). Конденсатор C1 (20 мкФ, 400 В) отвечает за сглаживание пульсаций. Для предотвращения пускового тока при включении питания используется резистор R1 (25-50 Ом).

Начальное смещение на основе транзистора T1 (можно использовать 13003 или 13005) задается резистором R2 (470 кОм) и диодом D6 (N4007). Для сглаживания скачков напряжения, возникающих при замкнутом Т1, в схему входят такие элементы, как: конденсатор С2 (3300 пФ 1000 В), диод D5 (N4007) и резистор R3 (30 кОм 1 Вт или можно использовать два резистора 15 кОм).

Импульсы положительной обратной связи, необходимые для поддержания режима автоповорота, отправляются на базу T1 через резистор R4 (150 Ом) и конденсатор C3 (47 пФ, 50 В). Для стабилизации напряжения понадобится цепочка, состоящая из Т2, R5 (1,5 кОм), D9 (стабилитрон КС515.

Высокочастотный преобразователь собран по обратноходовой схеме. При разомкнутом Т1 энергия накапливается на трансформаторе, а диод D7 (КД213 используется в сочетании с радиатором площадью 10 см2) находится в замкнутом состоянии. После закрытия транзистора Т1 возвращается накопленная магнитная энергия, диод D7 открывается, во вторичной цепи появляется ток, конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Конденсаторы C4 (2200 пФ) и C5 (0,1 мкФ) нужны для снижения шума.

Стабилизация выходного напряжения происходит по схеме, описанной ниже. При подключении устройства к сети запускается генератор. На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превышает 16,3 В, открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и замыкает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, а конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на C6 падает ниже 16,3 В, стабилитрон D9 закрывается, а T2 закрывается. Благодаря этому Т1 открывает и возобновляет работу генератора.

Первичная обмотка w1 трансформатора намотана проводом 0,25 мм и имеет 179 витков. В основной обмотке w2 два витка намотаны одним и тем же проводом. Вторичная обмотка w2 состоит из 14 витков провода 0,6-0,7 мм.

Можно взять любую маломощную лампочку, рассчитанную на напряжение от 24 до 36 В и ток от 100 до 200 мА.

Двухтактный преобразователь

Преимущества:

• управляющее напряжение транзисторов имеет такое же значение

Недостатки:

• обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
• проблемы симметрии
• между первичными обмотками требуется хорошее магнитное соединение
• опасность одновременной проводимости транзисторов

Twt / T — коэффициент заполнения

осциллограмма напряжения транзистора

b выходной ток

c форма сигнала тока, протекающего через входной конденсатор

d форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Мощный импульсный блок на ir2153

На микросхеме IR2153 можно построить простые блоки питания. Это мощный встроенный драйвер таймера, аналогичный NE555. Частота генерации задается внешними элементами. В микросхеме нет входов для организации обратной связи, поэтому добиться стабилизации тока и напряжения методом ШИМ не представляется возможным.


Расположение выводов микросхемы IR2153.

Назначение контактов показано в таблице.

Внутренняя схема IR2153.

Для лучшего понимания работы и назначения выводов лучше изучить внутреннюю схему. Главное, на что нужно обратить внимание, это то, что выходные ключи собраны по полумостовой схеме.

На эту микросхему можно установить простой блок питания.

Схема простого блока питания на IR2153.

IR2153 питается 220 вольт через демпфирующий резистор R1, выпрямитель на диоде VD3, фильтр на C4. Частота генерации фиксируется элементами C5, R2 (при номиналах, указанных на схеме, получаем около 47 кГц). Трансформатор можно рассматривать как программу. В авторской версии использован силовой трансформатор от компьютерного блока питания. Стандартные обмотки снимаются, первичная намотана на две жилы проводом в эмалированной изоляции диаметром 0,6 мм.

Обмотка содержит 38 витков. Слои обтягиваются изолентой. Вторичная обмотка из 7 проводов, скрученных с одним и тем же проводом, для получения напряжения 24 В требуется 7-8 витков, для другого напряжения необходимо пропорционально пересчитать.

Простая конструкция блока питания.

Остальные элементы схемы не требуют отдельных пояснений. Детали расположены на плате, транзисторы подключены к радиатору.

Блок питания с максимальной токовой защитой.

Более сложная схема — с максимальной токовой защитой транзисторов. Измерение организовано на трансформаторе ТВ1. Он намотан на ферритовом кольце диаметром 12..16 мм. Вторичная обмотка содержит 50..60 витков в два провода диаметром 0,1… 0,15 мм. Затем начало одной обмотки соединяется с концом второй. Первичная обмотка содержит 1..2 витка. Уровень срабатывания защиты регулируется потенциометром R13. При превышении установленного предела тиристор VD4 срабатывает и обходит стабилитрон VD3. Напряжение питания микросхемы снижено практически до нуля.

Силовая цепь обеспечивает плавный пуск. Если генерация началась, импульсы с вывода 6 через делитель R8R9 и конденсатор C8 выпрямляются. Постоянное напряжение заряжает C7 и открывает транзистор VT1. Конденсатор С3 подключается к цепи задания частоты, и частота генератора микросхемы снижается до рабочей частоты.

Простой блок питания на полевом транзисторе

Простой блок питания можно собрать на базе мощного полевого транзистора. Особенностью схемы является использование первичной обмотки трансформатора в качестве энергоаккумулирующей индуктивности. Этот блок питания принципиально отличается от рассмотренных выше. Хотя он содержит многие элементы блок-схемы выше, большинство из них работают по-другому.

Источник питания на полевом транзисторе.

На входе источника установлены выпрямитель и сетевой фильтр. При подаче напряжения и заряде конденсатора С4 (а также цепи С2С3) транзистор VT1 немного открывается и ток в первичной обмотке I начинает возрастать. В обмотке II возникает ЭДС, напряжение в цепи положительной обратной связи R9VD5C5 поступает на затвор VT1, что делает его еще более открытым. Процесс развивается лавинообразно и приводит к полному открытию транзистора. Ток в обмотке I увеличивается, создавая запас энергии. Напряжение на R10 увеличивается, поступая на базу фототранзистора приемной части оптопары U1. При этом он немного открывается, напряжение на затворе VT1 уменьшается и закрывается. Начинается второй цикл езды. Накопленная в обмотке энергия передается через диоды VD8 на конденсатор фильтра С9 и нагрузку. Если напряжение превысит установленный уровень, загорится светодиод оптопары и транзистор VT1 закроется раньше.

Трансформатор в этой схеме работает иначе и не может быть рассчитан с помощью указанной программы. Он намотан на два кольца, наклеенных пермаллоем МП140 типоразмера 19x11x6,7. Первичная обмотка I изготовлена ​​из провода ПЭВ диаметром 0,35 мм и содержит 180 витков. Обмотка II — 8 витков провода ПЭВ-2 0,2, обмотка III — 7 витков пятипровода ПЭВ-2 0,56.

Дроссели L1 и L2 намотаны на кольцах из того же материала размером 15x7x6,7. Первая содержит две обмотки по 30 витков от провода ПЭВ 0,2 на противоположных половинах магнитопровода. Второй делается проволокой ПЭВ-2 0,8 в один слой по всей длине кольца до заполнения. Дроссели также могут быть намотаны на ферритовых кольцах. Этот блок питания способен выдавать до 5А при напряжении 5В.

Схема БП

Наиболее распространенная конфигурация импульсного преобразователя включает:

• фильтр подавления сетевых шумов;
• выпрямитель;
• сглаживающий фильтр;
• преобразователь ширины импульса;
• ключевой транзистор;
• высокочастотный выходной трансформатор;
• выходные выпрямители;
• индивидуальный и групповой вывод фильтра.

Назначение фильтра подавления шума — блокировать шум от работы устройства в сети. Переключение мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком диапазоне частот. Поэтому здесь необходимо использовать специально разработанные для этого элементы в качестве сквозных конденсаторов фильтрующих звеньев.

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

В случае использования преобразователя напряжения постоянного тока выпрямитель и фильтр становятся бесполезными, и входной сигнал, проходя через схемы фильтра подавления шума, отправляется непосредственно на преобразователь ширины импульса (модулятор), или сокращенно ШИМ.

ШИМ — самая сложная часть импульсной схемы питания. В его обязанности входит:

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

Сигнал ШИМ поступает на управляющие выходы мощных ключевых транзисторов, включенных по мостовой или полумостовой схеме. Силовые выводы транзисторов нагружены на первичной обмотке высокочастотного выходного трансформатора. Вместо традиционных биполярных транзисторов используются IGBT или MOSFET транзисторы, характеризующиеся низким падением напряжения на переходах и высокой скоростью отклика. Улучшенные параметры транзистора помогают снизить рассеиваемую мощность при тех же размерах и технических параметрах конструкции.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузки в случае сбоя питания и от импульсных помех, возникающих во время работы устройства. Например, рассмотрим фильтр и защиту промышленного компьютера SMPS.

Входные цепи генератора импульсов MAV-300W-P4.

Предохранитель на 5 А перегорает при превышении номинального тока в аварийной ситуации в источнике питания. Для защиты от перенапряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме это не влияет на работу устройства. При скачке сети от отверстия резко увеличивается ее сопротивление, увеличивается ток через варистор. Это приведет к срабатыванию предохранителя.

Термистор THR1 отрицательного сопротивления изначально имеет высокое сопротивление и ограничивает ток, заряжая конденсаторы фильтра высоковольтного выпрямителя. Затем термистор нагревается протекающим по нему током, его сопротивление уменьшается, но к тому времени конденсаторы уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазная индуктивность FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Выпрямитель высокого напряжения обычно строится по традиционной двухполупериодной мостовой схеме и не имеет особых характеристик. Если в преобразователе используется полумостовая схема, то фильтр состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов — так формируется средняя точка с напряжением, равным половине питающего.

Участок схемы генератора импульсов с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и емкостным делителем напряжения C1-C2.

Иногда резисторы ставят параллельно конденсаторам. Они нужны для разгрузки контейнеров после отключения электроэнергии.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых переключателях (часто на транзисторах). Открывая и закрывая ключи, они подают импульсы напряжения на обмотку. Этот метод производит своего рода переменное напряжение (униполярное), которое можно обычным способом преобразовать в напряжение другого уровня.

Схемы транзисторных инверторов.

Простейшая схема преобразователя постоянного тока в импульсный является несимметричной. Для его реализации понадобится минимум элементов. Недостаток такого агрегата в том, что с увеличением мощности резко увеличиваются габариты и вес трансформатора. Это связано с принципом работы такого преобразователя. Он работает в двух циклах: во время первого открыт транзистор, энергия накапливается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго накопленная энергия передается нагрузке. Чем больше мощность, тем больше индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (в результате увеличивается количество витков во вторичных обмотках).

Двухтактная схема со средней точкой (push-pull) лишена этого недостатка. Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые попеременно подключены ключами к отрицательной шине. На рисунке красная стрелка показывает направление тока для одного цикла, а красная стрелка — для другого. Обратной стороной является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичной обмотке, а также наличие перенапряжений в момент переключения. Их амплитуда может достигать двукратного значения питающего напряжения, поэтому необходимо использовать транзисторы с соответствующими параметрами. Назначение этой схемы — преобразователи низкого напряжения.

При перемычке инвертора выбросы отсутствуют. Мост состоит из четырех транзисторов, диагональ которых включает первичную обмотку трансформатора. Открытые транзисторы попарно:

• первая петля — вверху слева и внизу справа;
• вторая петля — нижний левый и верхний правый.

Обмотка подключается к плюсу блока питания то одним выводом, то другим. Обратной стороной является использование 4 транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом считается использование полумостовой схемы. Здесь один конец первичной обмотки включен, а другой подключен к делителю из двух конденсаторов. В этой схеме также нет скачков напряжения, но используются только два транзистора. Недостатком такого решения является то, что на первичную обмотку подается только половина питающего напряжения. Вторая проблема заключается в том, что при создании мощных источников увеличивается емкость конденсаторов делителя и их стоимость становится нецелесообразной.

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

Фрагмент промышленной импульсной схемы источника: полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформатор T1.

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

Выпрямитель

Преобразованное напряжение во вторичных обмотках необходимо выпрямить. Если требуется выходное напряжение более +12 В, можно использовать обычные мостовые схемы (например, в высоковольтной части).

Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и двухполупериодного мостового выпрямителя.

Если напряжение низкое, полезно использовать двухполупериодные схемы средней точки. 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 используются диоды Шоттки и группы на них. Недостатком такого решения является более сложная конструкция вторичной обмотки.

Схема выпрямителя со средней точкой и прохождением через нее тока.

Фильтр

Выпрямленное напряжение необходимо фильтровать. Для этого используются как традиционные конденсаторы, так и катушки индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели небольшие, легкие, но работают эффективно.

Схема фильтрующих цепей выходных каналов импульсного блока питания ЭВМ.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи используются для стабилизации и регулирования выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник не стабилизирован, у него нет этих цепей. Для устройств со стабилизацией тока или напряжения эти схемы выполнены на постоянных элементах (иногда с возможностью регулирования). Для регулируемых источников (лаборатория и т.д.) элементы управления включены в обратную связь для корректировки параметров в режиме онлайн.

Сфера применения импульсного блока питания

В большинстве случаев вместо традиционных трансформаторов с полупроводниковыми стабилизаторами используются импульсные преобразователи напряжения. При одинаковой мощности инверторы отличаются уменьшенными размерами и массой, высокой надежностью и, прежде всего, большей эффективностью и способностью работать в широком диапазоне входных напряжений. А при сопоставимых габаритах максимальная мощность инвертора во много раз выше.

В такой области, как преобразование постоянного напряжения, переключающие источники практически не имеют альтернативных замен и могут работать не только для понижения напряжения, но и для генерирования более высокого напряжения, чтобы организовать изменение полярности. Высокая частота преобразования значительно облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, уже прошедшего стадию выпрямления, в прямоугольные импульсы осуществляется с определенной частотой. Период выключения и включения этого транзистора осуществляется с помощью микросхем.

ШИМ-контроллеры этих переключателей являются основным активным управляющим элементом схемы. В этом случае источники питания прямого и обратного хода имеют трансформатор, после чего они снова выпрямляются.

Чтобы предотвратить падение выходного напряжения в ИИП при увеличении нагрузки, была разработана обратная связь, которая вводилась непосредственно в контроллеры ШИМ. Это соединение позволяет полностью стабилизировать регулируемое выходное напряжение, изменяя рабочий цикл импульсов. ШИМ-контроллеры обеспечивают широкий диапазон изменений выходного напряжения.

Микросхемы импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 — это контроллеры с ШИМ, которые имеют управление током и предназначены для создания обоих типов импульсных преобразователей. Генераторы импульсов Master этой марки зарекомендовали себя как надежные устройства.

Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качествами для создания экономичных и надежных источников питания. Импульсные блоки питания на основе этой микросхемы используются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т.д.

Посмотрев инструкцию, можно найти всю необходимую и подробную информацию обо всех ее рабочих параметрах.

Схемы инверторов

Полученное выпрямленное напряжение поступает на преобразователь (инвертор). Он выполняется на биполярных или полевых транзисторах, а также на элементах IGBT, сочетающих в себе свойства полевых и биполярных. В последние годы стали популярными мощные и недорогие полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET). На таких элементах удобно строить ключевые схемы инвертора. В импульсных схемах питания используются различные варианты включения полевого МОП-транзистора, но в основном используются двухтактные схемы для простоты и возможности увеличения мощности без значительных изменений.

Пуш-пульная схема

Схема двухтактного преобразователя.

Двухтактный инвертор (двухтактный, двухтактный) является примером двухтактного преобразователя. Транзисторные переключатели работают на первичной обмотке трансформатора, которая состоит из двух полуобмоток I и II. Транзисторы открываются поочередно на определенное время. Когда верхний транзистор открыт, ток течет по полуобмотке I (красная стрелка), когда второй — по полуобмотке II (зеленая). Чтобы избежать ситуации, когда оба ключа открыты (из-за конечной скорости транзисторов), схема управления формирует паузу, называемую мертвым временем.

Контроль транзисторов с учетом мертвого времени.

Эта схема хорошо работает при низких напряжениях питания (до +12 вольт). Недостатком является наличие перенапряжений с амплитудой, равной удвоенному напряжению питания. Это предполагает использование транзисторов, рассчитанных на удвоенное напряжение.

Мостовая схема

Двухтактный мост лишен главного недостатка предыдущей схемы.

Двухтактная мостовая инверторная схема.

Здесь одновременно открывается пара транзисторов Т1 и Т4, затем Т2 и Т3 (ключевой управляющий сигнал формируется с учетом мертвого времени). В этом случае первичная обмотка подключена к источнику питания с одной или другой стороны. Ширина импульса равна полному напряжению питания, скачки напряжения отсутствуют. К недостаткам можно отнести использование четырех транзисторов вместо двух. Помимо увеличения габаритов блока питания, это приводит к двукратным потерям напряжения.

Полумостовая схема

На практике часто используется схема полумостового инвертора, что в некоторой степени является компромиссом между двумя предыдущими схемами.

Полумостовая схема.

В этом случае одна сторона обмотки переключается путем попеременного открытия транзисторов T1 и T2, а другая подключается к средней точке емкостного делителя C1, C2. Достоинства схемы:

• в отличие от двухтактного, здесь нет скачков напряжения;
• в отличие от моста используются всего два транзистора.

С другой стороны, обмотка трансформатора питается только половиной напряжения питания.

Однотактные схемы

В схемах преобразователя также используются несимметричные схемы — прямого и обратного хода. Их ключевое отличие от двухтактных: трансформатор (точнее его первичная обмотка) одновременно выполняет роль накопительной индуктивности. В схемах обратного хода энергия накапливается в первичной обмотке во время открытого состояния транзистора и передается нагрузке через вторичную обмотку в закрытом состоянии. В линейных проекторах накопление энергии и возврат к потребителю происходят одновременно.

Двухфазный режим работы однотактного реверсивного инвертора.

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли обойтись без трансформатора? Ответ здесь неоднозначный. И можно, и нельзя. Кроме того, существуют бестрансформаторные блоки питания. Конденсатор используется для понижения напряжения. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство используется безопасно. Однако реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости. Поэтому при увеличении нагрузки необходимо использовать конденсатор большего размера, что сильно влияет на его размер. К тому же увеличивается его цена, так как он должен быть рассчитан на 400… 450 В. Кстати, использование балласта негативно сказывается на качестве электроэнергии в электросети. Коэффициент мощности cosφ уменьшается. Но главный недостаток — отсутствие гальванической развязки. Это исключает использование подобных схем в большинстве электронного оборудования.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Итак, мощность любого ИБП определяется всего двумя параметрами — напряжением и током.

P = U ∙ I.

Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением силы тока и напряжения. Поэтому мы рассмотрим, как размеры T зависят от значения применяемых U и I fluent. 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.

E = 4,44 ∙ f ∙ w ∙ Φ

Коэффициент 4,44 для закалки уберем, так как он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных источниках питания, где форма волны прямоугольная, этот коэффициент имеет другое значение.

E ~ f ∙ w ∙ Φ

Магнитный поток — это произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

E ~ f ∙ w ∙ B ∙ Sс

Давайте подумаем об этой формуле с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмоток. Проще говоря, можно с полным основанием сказать, что размеры сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А размер обмотки зависит от количества витков w.

Теперь становится очевидным, что для сохранения той же величины электродвижущей силы E при уменьшении числа витков we площади поперечного сечения Sñ и, соответственно, габаритов трансформатора необходимо увеличивать либо частоту, либо индукции или этих двух параметров одновременно.

Подавляющее большинство сердечников промышленных трансформаторов изготовлено из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Он выше только для чистого железа, которое имеет наивысшую возможную индукцию среди всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Т. К сожалению, чистое железо не подходит для использования в электромагнитных устройствах из-за больших потерь энергии во время инверсии намагниченность.

Альтернативные магнитные материалы

Пермаллой также используется в ряде стран. Пермаллой имеет немного меньшую индукцию, чем электротехническая сталь, но имеет более высокое электрическое сопротивление. Благодаря этому снижаются потери на вихревые токи и, как следствие, потери холостого хода.

Сравнительно недавно на рынке появились аморфные и нанокристаллические сплавы по доступной цене. У них высокое электрическое сопротивление, а их индукция близка к индукции электрических 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 значения, значительно превышающего индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Следовательно, в настоящее время невозможно значительно уменьшить габариты электромагнитного устройства за счет l использование новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое уменьшение массы и габаритов — это повышение частоты f переменного тока.

Недостатки и достоинства блоков питания с трансформатором

Против

— Главный слабый элемент и, следовательно, недостаток таких блоков питания — трансформатор. Его габариты просто физически не позволяют создавать компактные зарядные устройства, а стоимость зачастую в несколько раз превышает стоимость всех остальных комплектующих.

yandex.ru

— Кроме того, такие блоки питания имеют низкий КПД (по сравнению с импульсным блоком питания).

— Для стабилизации выходного напряжения также необходимо использовать стабилизатор, что еще больше снижает КПД (из-за дополнительных потерь).

Профессионалов

Помимо недостатков, у таких изделий есть еще и неоспоримые достоинства, а именно:

— Высокая надежность продукта.

— Эти блоки питания не создают радиочастотных помех (в отличие от импульсных блоков питания).

— Довольно простой дизайн.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнить аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, последние будут иметь следующие преимущества:

• Уменьшенные габариты и вес благодаря отсутствию понижающего трансформатора низкой частоты и элементов управления, которые требуют отвода тепла через большие радиаторы. Благодаря использованию технологии преобразования высокочастотного сигнала можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньшего размера.
• Более высокий КПД, поскольку только переходные процессы вызывают большие потери, в то время как в аналоговых схемах постоянно теряется много энергии во время электромагнитного преобразования. Результат говорит сам за себя, повышение КПД до 95-98%.
• Более низкая стоимость за счет использования менее мощных полупроводниковых элементов.
• Более широкий диапазон входных напряжений. Этот тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, поэтому допускается подключение к сетям разных стандартов.
• Надежная защита от коротких замыканий, перегрузок и других аварийных ситуаций.

К недостаткам импульсной техники можно отнести:

Наличие ВЧ помех, это следствие работы высокочастотного преобразователя. Этот фактор требует установки шумоподавляющего фильтра. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на использование устройств этого типа в высокоточном оборудовании.

Особых требований к нагрузке, ее не следует уменьшать или увеличивать. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики выходного напряжения начнут существенно отличаться от стандартных. Как правило, производители (в последнее время также китайские) предвидят такие ситуации и устанавливают в свои продукты адекватную защиту.

Существуют ограничения по мощности

Особенность импульсных блоков питания в том, что они могут быть не только перегружены, но и недогружены. В том случае, если ток потребления в цепи упадет ниже критического предела, пусковая схема может просто отказаться от работы или выходное напряжение будет иметь характеристики, далекие от рабочего диапазона.

Как сделать импульсный блок питания своими руками

Инверторы, особенно мощные, имеют сложные схемы и доступны для воспроизведения только опытным радиолюбителям. Для самостоятельной сборки сетевых блоков питания можно рекомендовать простые маломощные схемы с использованием специализированных микросхем ШИМ-контроллера. Такие ИС имеют ограниченное количество элементов трубопроводов и зарекомендовали себя как типовые схемы переключения, практически не требующие регулировки и настройки.

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

Самый простой вариант маломощного импульсного блока питания

Рассмотрим схему импульсного блока питания мощностью до 2 Вт. Выпрямитель и фильтр в нем собраны на резисторе R1 (от 25 до 50 Ом), диоде VD1 и конденсаторе С1 (20,0 мкФ, 400 В). Преобразователем высокой частоты служит автогенератор, собранный на транзисторе VT1, трансформаторе TR1, резисторе цепи задания частоты R2 (470 кОм) и конденсаторе C2 (3300 пФ, 1000 В). Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается электролитическим конденсатором С3 (47 пФ, 50 В).

В качестве сердечника для трансформатора подойдет любой трансформатор от неработающего трансформатора, используемый для зарядки сотового телефона или другого маломощного источника питания. Намотка происходит в следующем порядке:

• сначала наматываем 200 витков первичной обмотки медным проводом сечением 0,08-0,1 мм;
• изолируем первичную обмотку и наматываем этим же проводом 5 витков базовой обмотки;
• делаем обмотку вторичной обмотки. Диаметр проволоки — 0,4 мм. Количество витков зависит от того, какое напряжение вы хотите получить на выходе из расчета один оборот на вольт.

Стабилизированный БП на SG3525

TL494 — культовая микросхема для построения импульсных блоков питания. Экономичный и распространенный, он позволяет создавать блоки питания любого назначения: регулируемые, стабилизированные и т.д. Для монтажа SMPS рекомендуется обратить внимание на микросхему SG3525. Он аналогичен по функциональности TL494, но его выходные каскады оптимизированы для работы с мощными полевыми транзисторами, поэтому схема инвертора упрощена. Но схема ограничения или стабилизации тока усложняется, потому что имеется только один усилитель ошибки, и он обычно уже участвует в управлении напряжением. Но если в этом режиме нет необходимости, то этот момент не важен. Несомненным достоинством SG3525 является возможность плавного пуска, который реализуется схемой конденсатора.

Назначение контактов SG3525.

Для первоначальной разработки микросхемы и экспериментов по выявлению ее возможностей можно собрать простой импульсный блок по следующей принципиальной схеме.

Схема простого стабилизированного блока питания на базе SG3525.

Здесь частота генерации задается элементами C1 и R1 и составляет примерно 50 кГц. Резистор R2 определяет продолжительность мертвого времени. Режим плавного пуска задается конденсатором С4. Вывод 10 Shutdown, обычно используемый для защиты силовых транзисторов, используется здесь для включения / выключения инвертора.

Конвертер собран по двухтактной схеме, поэтому управление ключами предельно простое. Трансформатор намотан на кольцо, первичная обмотка содержит 5 витков в нескольких проводах провода (в зависимости от требуемой мощности), вторичная — в зависимости от необходимого напряжения (питание может увеличиваться или уменьшаться относительно напряжение на первичной обмотке, к которой приложено 6 вольт — половина напряжения питания).

Выпрямитель собран по мостовой схеме на диодах Шоттки, выходной фильтр L1C8 имеет L-образную форму. Делитель R10R11 имеет цепь обратной связи. Часть выходного напряжения поступает на вывод 1 микросхемы. Если напряжение снижается, период открытого состояния ключей увеличивается.

Для работы агрегата необходимо запитать микросхему от стороннего источника питания + 12В.

Освоив микросхему и поэкспериментировав с ней, можно собрать более сложный блок питания. Этот стабилизированный блок обеспечивает мощность до 500 Вт.

Регулируемый блок питания на базе SG3525.

Здесь микросхема питается от отдельной обмотки трансформатора. Напряжение на нем появляется только после включения питания, затем собирается схема микростарта для начального питания SG3525. При включении источника питания конденсатор 1 заряжается, когда напряжение на нем достигает заданного уровня, транзисторы следующего каскада открываются и выдают импульс на микросхему. Этого достаточно для запуска и во время работы SG3525 питается от дополнительной обмотки. Резистор 2 действует как нагрузка, без него цепь не запустится.

Плавный пуск реализован на конденсаторе 3. Элементы 4,5 служат для защиты транзисторов от перегрузки по току. Уровень срабатывания устанавливается потенциометром. Управление ключами осуществляется трансформатором гальванической развязки (TGR) 6. Это решение позволило упростить схему управления. Этот трансформатор намотан на кольцо из материала 2000НН в три провода. Начало и конец обмоток подключают по схеме.

Производство ТГР.

Основными элементами обратной связи, вводимой для стабилизации напряжения, являются стабилитроны 7 и оптрон 8. Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

Uout = 2 + Ustab1 + Ustab2, где:

• Uout — выходное напряжение в вольтах;
• Ustab — напряжение стабилизации каждого стабилитрона.

Таким образом можно получить любое выходное напряжение. Количество стабилитронов может быть различным до тех пор, пока общее напряжение цепной стабилизации составляет 2 вольта от желаемого выходного уровня. Трансформатор можно рассчитать в существующей программе исходя из имеющихся материалов и необходимого напряжения.

Для работы схемы стабилизации необходим запас по напряжению. При расчете силового трансформатора этот момент необходимо учитывать, установив отметку в чекбоксе.

Флажок с пометкой о необходимости стабилизации напряжения.

Большинство деталей собрано на печатной плате. Если вы разрабатываете выкройку самостоятельно, учитывайте, что печатные кондукторы должны быть максимально короткими и широкими. Не делайте пути длинными и узкими. На радиаторе установлены мощные транзисторы.

Пошаговая инструкция

Процесс изготовления импульсного блока питания выглядит так:

• рассчитать продукт в онлайн-калькуляторе (опубликованном на многих сайтах) или в специальной программе. В зависимости от желаемых характеристик блока питания программа подберет параметры всех элементов: конденсаторов, транзисторов, индуктивностей и т.д.;
• приобрести все радиодетали;
• в плате печатной платы просверливаются отверстия в соответствии с расположением и размерами элементов. Добиться желаемых характеристик с первого раза не всегда удается, поэтому схему необходимо дополнять компенсаторами и другими элементами. Необходимо оставить для них место на доске;
• на схеме выбрать точки ввода, отмеченные символом «AC», припаять предохранитель, а затем по очереди все элементы согласно схеме;
• проверить.

важно найти подходящую схему и правильно рассчитать параметры элементов.

Проверка конструкции

Перед первым включением блока питания необходимо его проверить. В первую очередь проверяется установка, например, могут быть следы пайки, немытого флюса. Любой компонент, установленный на карте, может быть неисправен.

Если с установкой все в порядке, можно переходить ко второму этапу проверки с помощью лампочки. В качестве лампочки можно использовать любую лампу накаливания. Для этого мы подключаем изготовленный нами блок питания последовательно с лампочкой, как показано на рисунке ниже.

Если индикатор не горит, в цепи питания есть разрыв. Необходимо проверить следы платы, стартера, диодного моста.

Свет горит постоянно. Короткое замыкание в источнике питания. Причина может быть в пробое конденсаторов, транзисторов. Также необходимо проверить следы печатной платы, выходные цепи трансформатора.

Подведем итог

Мне очень хотелось объяснить, что такое импульсный блок питания для чайников, но вопрос сложный и потому он оказался ближе к научному объяснению. Если обобщить представленную информацию, импульсные блоки питания действительно стали прорывом в своей области электроники. По сравнению с трансформаторными блоками такие ИБП намного дешевле, эффективнее, меньше и легче. И что самое интересное — они при всех своих достоинствах и дешевле аналоговых.

Конечно, технологии не стоят на месте, с каждым годом прогрессируют. Не исключено, что скоро появятся и другие высокотехнологичные зарядные устройства или блоки питания. Но сегодня ИБП являются вершиной инженерной мысли и поэтому заслуживают нашего внимания.