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.
Современные блоки питания различных типов с нужными параметрами и характеристиками можно подобрать с помощью интернет-сервиса по поиску электронных компонентов ChipHunt - http://chiphunt.ru/catalog/enclosures/
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.
Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:
1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;
2. без выполнения подобной развязки.
Импульсный блок питания с гальванической развязкой
В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.
Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.
В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:
2. каскад из силовых ключей;
3. импульсный трансформатор.
Как работает ШИМ-контроллер
Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.
Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.
Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.
Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.
В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.
Работа каскада из силовых ключей
Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.
Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:
мостовой;
полумостовой;
со средней точкой.
Импульсный трансформатор
Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.
Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.
Импульсные блоки питания без гальванической развязки
В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.
Особенности стабилизации выходного напряжения
Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.
Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:
1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;
2. применения оптрона.
В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.
При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.
Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми
При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:
1. уменьшенный вес;
2. повышенный КПД;
3. меньшая стоимость;
4. расширенный диапазон питающих напряжений;
5. наличие встроенных защит.
1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.
За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.
2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.
В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.
3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.
4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.
5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.
У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:
маломощных цепей управления сложной бытовой техники;
слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).
Недостатки импульсных блоков питания
В/ч помехи
Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.
В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.
Ограничения по мощности
Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.
Многих радиолюбителей интересует, как работает и на каких механизмах базируется импульсный блок питания. Подробно рассмотрим на примере блока от двд плейера BBK DV811X. Данный блок был выбран потому, что все компоненты схемы здесь стоят свободно, понятно и не залиты клеем. Это очень поможет новичкам разобраться с принципом их работы. Для сравнения типичный блок питания от ноутбука. Сложно сразу понять, что здесь и где.
Для четкого разъяснения всех моментов построим принципиальную схему. Максимально просто расскажем о каждом элементе, зачем он тут стоит и какую функцию выполняет.
Купить импульсные источники питания в этом китайском магазине . Плагин на браузер для экономии в нём: 7%-15% с покупок .
Рассмотрим общие принципы работы блоков питания.
Для начала линейный.
В нем сетевое напряжение подается на трансформатор, понижающий его после чего стоит выпрямитель, фильтр и стабилизатор. Трансформаторы в таких блоках обладают большими габаритами и чаще всего находят свое применение в лабораторных источниках питания и аудио усилителях.
Теперь импульсные блоки питания. 220 вольт выпрямляется, после чего постоянное напряжение преобразуется в импульсы с большей частотой, которые подаются на высокочастотный трансформатор. С выходных обмоток снимается напряжение и выпрямляется. Далее подается через цепь обратной связи в формирователь импульсов для поддержания стабильного напряжение на выходе путем регулирования длительности или скважности импульсов. Выпрямленное фильтруется для получения стабильного значения.
Объяснение схемы
Клеммы — питание от сети 220 вольт и сетевое кнопка, и видим предохранитель. При превышении тока, проходящего через предохранитель, его номинального порога, он сгорает, размыкая блок питания с сетью. Дальше мы видим сетевой фильтр.
Он состоит из двух конденсаторов и дросселя подавления электромагнитных помех.
Посмотрим на типовую схему этого фильтра. Таким фильтром оснащено большинство современных устройств. Он состоит из 2 X-конденсаторов и дросселя подавления электромагнитных помех. Это конденсаторы, которые были специально разработаны для применения сетевых фильтров. Они выдерживают всплески напряжения до нескольких киловольт и сделаны из негорючих материалов. Для противофазных помех, которые возникают между фазой и нейтралью, является кратчайшим путем следования, а значит они не дают помехам сети попасть в блок питания и, соответственно, шумам блока питания в сеть.
Что касается дросселей подавления электромагнитных помех, существует множество видов, но в целом, это катушки, намотанные на ферритовый сердечник. Помехи наводят ток разных знаков, компенсируя друг друга. Стоит добавить еще про синфазные помехи — между фазой и корпусом или между нейтралью и корпусом. Для компенсации таких помех часто применяют так называемые Y-конденсаторы. В случае перегорания они точно будут разомкнуты. Они также выдерживают всплески напряжения. Пару таких конденсаторов подключают между проводами сети и корпусом. А корпус в свою очередь подключается к заземлению.
Если в вашей розетке не будет заземления, то корпус устройства будет кусаться около 110 Вольт с очень маленьким током. В данном блоке питания предусмотрены посадочные места под эти конденсаторы.
Но производитель вывел сетевой провод без заземления. Поэтому нет никакого смысла в данных конденсаторах в данном случае. После сетевого фильтра стоит диодный мост, выполненный на 4 диодах 1n 4007. Выпрямленное напряжение подается на конденсатор. Он сглаживает его форму. Конденсатор в данном случае на 22 микрофарада, 400 вольт. Напряжение на конденсаторе должно быть около 290-300 вольт. Теперь нам надо преобразовать его в высокочастотную последовательность импульсов. Для начала посмотрим, что это за микросхема. Маркировка dh321. Рассмотрим, как В целом устроены подобные преобразователи.
Онлайн калькулятор: http://cxem.net/calc/divider_calc.php
Вопросы по импульсным источникам питания: http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=1480
Предлагаем рассмотреть, что такое импульсный блок питания (ИБП), как он работает, а также как сделать это устройство в домашних условиях.
Общая информация о ИБП
ИБП — это устройство, которое выпрямляет сетевое напряжение, а затем формирует из него импульсы частотой более 10 кГц, которые после подаются на специальный импульсный трансформатор.
ИБП представляет собой электронный преобразователь, который включает в себя импульсный регулятор, для эффективного преобразования электрической энергии и широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Как и другие источники питания, ИБП передает мощность от источника электросети к нагрузке, в это время преобразовывая напряжение.
Схема — Импульсный блок питания
В идеале, импульсный блок питания не рассеивает никакой энергии. В противоположность этому, линейный источник питания регулируя выходное напряжение, непрерывно рассеивает энергию на p-n переходе транзистора. Таким образом высокая эффективность преобразования является важным преимуществом импульсного источника питания перед линейным. Кроме того, любой простой импульсный блок питания гораздо более компактен, чем трансформаторный с линейным стабилизатором, но при этом не уступает по эффективности.
Фото — Сетевой импульсный блок питания
Импульсные блоки питания используются в качестве замены линейных, так как имеют меньший размер и вес при схожей эффективности.
Видео: как сделать простой блок питания (импульсный)
Принцип действия
Рассмотрим по циклам принцип работы простого импульсного блока питания.
Если ИБП имеет входное напряжение переменного тока к примеру, в компьютере, ПК, ноутбуке, то первый этап заключается в преобразовании входящего переменного напряжения в постоянный. Блок питания с входом, рассчитанным входное напряжение постоянного тока не требует этой стадии. В некоторых блоках питания, например компьютерных, электрическая схема выпрямителя может быть сконфигурирована, как у удвоителя напряжения путем добавления переключателя управляемого вручную или автоматически. Эта функция позволяет работать источникам питания от сети которая обычно выдает 115 В или 230 В.
Выпрямитель сглаживает нерегулируемое переменное напряжение в постоянное, которое затем отправляется в накопительный конденсаторный фильтр. Ток, потребляемый от источника питания этой цепи (выпрямителя) трансформируется в короткие импульсы вокруг пиков напряжения переменного тока.
Данные сигналы имеют значительную энергию высокой частоты, которая уменьшает коэффициент мощности импульсного трансформатора, за счет чего удается уменьшить его габариты. Для коррекции этого явления многие новые ИБП используют специальную PFC схему, чтобы заставить входной ток следовать синусоидальной форме входного напряжения переменного тока и для коррекции коэффициента мощности. Импульсные источники питания, которые используют Active PFC – встречаются в камерах видеонаблюдения, компьютерах, и т. п. поддерживающие входное напряжение от ~ 100 Вольт переменного тока до 250 В.
Импульсный обратноходовый блок питания предназначен для входа переменного напряжения, как правило, так же он может работать и от источника постоянного тока, так как постоянное напряжение будет проходить через мостовой или полумостовой выпрямитель без изменений. Если блок питания предназначен для 115 В и не имеет переключателя напряжения, то требуется напряжение 163 В постоянного тока (115 × √2).
Но этот тип использования может быть вредным для выпрямителя, т.к. он будет использовать половину диодов в выпрямителе для полной нагрузки. Это может привести к перегреву одного из составляющих выпрямителя, из-за чего значительно понижается его долговечность. С другой стороны, если источник питания имеет переключатель режимов входного напряжения 115/230В (компьютерный AT-АТХ блок питания Panasonic, Samsung, dvd-привод Vbulletin), переключатель должен быть установлен в положение 230, и получать требуемое напряжение 325 В постоянного тока (230×√2).
Диоды в этом типе питания будут отлично выпрямлять переменное напряжение, потому что они, по своим характеристикам повторяют двухполярный удвоитель напряжения. Единственным недостатком такого простого блока является его недолговечность.
После того как сетевое напряжение стало выпрямленным оно поступает на инвертор.
Инвертор импульсного блока питания преобразовывает постоянный ток в переменный, запустив его через коммутатор напряжения, чья выходная энергия трансформации очень небольшая, с несколькими десятками витков обмотки трансформатора на частоте десятков или сотен килогерц, он работает как УНЧ. Частота обычно выбирается выше 20 кГц, чтобы сделать её не слышной для человека. Коммутация выполнена в виде многоступенчатого сигнала ШИМ на ключевых MOSFET транзисторах. MOSFET транзисторы представляют собой тип устройств с низким сопротивлением открытого перехода и высокой способностью прохождения больших токов.
Фото — Принцип работы импульсного блока питания
Если выходы должны быть изолированы от входа, как это обычно бывает в сетевых источниках питания, инвертированный переменный ток используется для питания первичной обмотке высокочастотного трансформатора. Трансформатор уже повышает или понижает напряжение на вторичной обмотке до необходимого уровня. На блок-схеме это видно на выходе трансформатора.
Фото — Принципиальная схема источника питания
Для выходных напряжений выше десяти вольт используются кремниевые диоды. При более низких напряжениях, обычно используются диоды Шоттки в качестве элементов выпрямителя; они имеют преимущества :
- Более быстрое время восстановления, чем у кремниевых диодов (позволяет работать с малыми потерями на высоких частотах);
- Низкое падение напряжения при прохождении тока. Для еще более низких выходных напряжений, малогабаритные ИБП используют транзистор в качестве синхронных выпрямителей, в таком случае именно в транзисторе происходят основное выпрямление переменного напряжения..
Затем производится сглаживание с помощью фильтра, состоящего из дросселя и конденсатора. При более высоких частотах коммутации, необходимы компоненты с более низкой емкостью и индуктивностью.
Фото — Миниатюрный импульсный блок
Более простой неизолированный импульсный источник питания содержит дроссель вместо трансформатора. К такому типу относятся повышающие и понижающие преобразователи. Они принадлежат к простейшему классу с одним входом и одним выходом, которые используют один дроссель и один активный переключатель.
Как сделать блок питания своими руками
Собрать средне-мощный или маломощный импульсный блок питания своими руками для портативного телевизора или планшетного компьютера можно в домашних условиях.
Пошаговое описание , как сделать миниатюрный универсальный самодельный ИБП, который подойдет для настольной светодиодной лампы, приемника, музыкального плеера:
- Выберите зарядное устройство, которое может обеспечить достаточный ток для зарядки аккумулятора. Проверьте преобразователи, предназначенные для работы больших внедорожников, если делаете сложную систему.
Фото — Схема простого ИБП
Проверьте солнечные источники питания для домов и инверторы для больших систем. Убедитесь, что контакты зарядного устройства способны передать мощность для питания вашей нагрузки.
- Выберите батареи глубокого цикла. Не используйте автомобильный аккумулятор. Если вы будете использовать гелевые или необслуживаемые батареи, то система буде работать исправно. Для более крупных систем, состоящих из нескольких батарей глубокого цикла, нужно выбирать только AGM или аккумуляторы с жидким электролитом.
Убедитесь, что батареи вентилируются для выхода водорода. Если вы покупаете аккумуляторы с жидким электролитом, убедитесь, что устройство поддерживает выравнивание плотности заряда. Свинцово-кислотные батареи продаются номиналом 6 и 12 вольт. Вам нужно будет соединить их последовательно, чтобы поднять напряжение, или параллельно, чтобы увеличить мощность ампер-часов.
Фото — Источник питания с аккумуляторами
Расчет аккумуляторов для импульсных блоков питания с контроллером заряда и без него:
12 вольт = 2x6V – необходимо два 6 вольтовых аккумулятора, соединенных последовательно;
24 вольт = 4x6V или 2x12V батареи в последовательном соединении.
Не смешивайте разные типы батарей. Новые батареи, добавленные в существующий комплект будет способствовать снижению заряда первичных.
- Выберите инвертор. Необходимо купить однотактный или двухтактный повышающий инвертор. Мощность инвертора в ваттах, должна быть в 3-7раз больше, чем у номинального тока нагрузки. Инверторы доступны для входных напряжений от 12, 24, 36, 48 и до 96 вольт. Чем выше напряжение, тем лучше, особенно для больших систем. 12 вольт является наиболее распространенным, но ни в коем случае нельзя рассматривать 12 вольт для системы больше, чем 2400 Вт мощности.
- При помощи кабелей соедините инвертор, аккумулятор и прочие приборы.Для соединения деталей необходимо брать не тяжелые провода, чтобы они не тянули контакты.Обязательно проверяйте связь при помощи мультиметра.
- Отметив полярность на проводах, надежно прикрепите силовой кабель к батарее аккумуляторов и к контроллеру заряда,это можно сделать с использованием паяльника. При помощи мультиметра проверьте все соединения проводников.
- Подготовьте систему зарядки. Подключите зарядное устройство к сети и включите его.
- Теперь нужно провести наладку системы импульсного блока питания, рассмотрим, как проверить инвертор. Прикрепите и подключите прибор, если он расположен отдельно от зарядного устройства. Подключите кабели к батареям, отметив полярность. Включите инвертор, и проверьте показания прибора с разными нагрузками переменного тока.
Главные признаки неисправности импульсного блока:
- Огонь;
- Искры.
Оставьте инвертор на ночь с нагрузкой, аналогичной планируемой, и батарею заряжаться на всю ночь. Утром, батарея должна быть полностью заряжена.
Самодельные импульсные блоки питания проще всего переделывать с уже готовых, на микросхема ШИМ серии IR2151, TL431, UC3842 с автоматическим управлением (регулировкой), их схемотехника идеально подходит для данной работы.
Главное условие – работать с защитой! Нужно надевать перчатки, очки, защитные маски.
Конечно, для работы DVD плеера или лампы освещения можно приобрести дешевый китайский прибор. Но для полевых работ лучше купить импульсный блок питания на 12 В (как для ПК) на микросхемах IR2153, TL494 , его цена довольна приемлема, а схема работы универсальна. Найти прибор можно в любом электротехническом магазине Вашего города.
Также обратите внимание на модели на микросхемах таких фирм как: model APC, Logicpower, CyberPower, FSP, Dyno, Eaton, Robiton, PSU, PSS, TOP, Samsung. Регулярно проводите плановый ремонт техники, платы должны проверятся каждые полгода.
Технический прогресс не стоит на месте и уже сегодня на смену блокам питания трансформаторного типа пришли импульсные блоки. Причин тому огромное множество, но самые главные – это:
- Простота и дешевизна при производстве;
- Легкость при эксплуатации;
- Компактность и значительно комфортные габаритные размеры.
Ознакомиться с руководством как выбрать детектор скрытой проводки и как им пользоваться .
С технической точки зрения импульсный блок питания – это устройство, которое занимается выпрямлением сетевого напряжения и после этого формирует из него импульс с частотной характеристикой в 10 кГц. Стоит отметить, что КПД данного технического устройства достигает отметки в 80%.
Принцип работы
Фактически весь принцип работы импульсного блока питания сводится к тому, что устройство данного типа направлена на то, чтобы выпрямить напряжение, которое поступает на него при подключении к сети и затем образовать рабочий импульс, за счет которого и может функционировать данный электрический агрегат.
Многие задаются вопросом, в чем главные отличия импульсного устройства от обычного? Все сводится к том, что оно имеет повышенные технические характеристики и меньшие габаритные размеры. Также импульсный блок дает больше энергии, чем стандартный его вариант.
Виды
На данный момент на территории Российской Федерации при необходимости можно найти блоки питания импульсного типа следующих разновидностей и категорий:
Схема
Все блоки питания импульсного типа в зависимости от сферы эксплуатации и технических особенностей имеют различные схемы:
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:
- Удельная мощность: 35 - 120 Вт на кубический дециметр.
- Рабочая частота инвертора: 30 - 150 кГц.
- КПД: 75 - 85%.
- 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:
- В начальный момент времени транзистор открыт, дроссель запасается энергией источника напряжения через коллекторный, эмиттерный p-n-переходы, землю.
- Затем ключ запирается, стартует процесс зарядки конденсатора. Дроссель отдает энергию.
- В некоторый момент отрабатывает усилитель обратной связи, начинается питание нагрузки. Конденсатор неспособен отдать энергию в сторону силового ключа, мешает диод. Заряд забирает полезная нагрузка.
- 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:
- Имеется связь по постоянному току между входом и выходом. Другими словами, отсутствует гальваническая развязка.
- 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.
