Как работает импульсный блок питания: Импульсные блоки питания, структурная схема, принципы работы

Как работает импульсный блок питания | ESP32 Arduino

Главное преимущество импульсных источников питания перед трансформаторными – экономичность, уменьшенные габариты и вес.

Главный недостаток – сложность конструкции. Собрать своими руками качественный импульсный источник питания достаточно сложно поэтому в этой статье будет разобран общий принцип работы таких блоков питания.

Структурная схема промышленного импульсного стабилизатора

Структурная схема промышленного импульсного стабилизатора

Для защиты внешней сети от помех применяется входной фильтр из двух дросселей Lf и конденсора Сf. Сетевое напряжение 220V выпрямляется с помощью диодного моста, и делится пополам с помощью конденсоров C1 и C2. Транзисторы VT1 и VT2 работающие в ключевом режиме попеременно подключают обмотку высокочастотного трансформатора T1 то к плюсу выходного напряжения то к минусу. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора T1 выпрямляется двухполупериодным выпрямителем на диодах VD1 и VD2. Выходное напряжение сглаживается LC фильтром (L1 C3). Это напряжение поступает на устройство управления, где сравнивается с заданным. Устройство управления управляет задающим генератором, который управляет ключевыми транзисторами. Для гальванической развязки обычно используются малогабаритные трансформаторы.

Современный импульсный блок питания 5V 0.7A с гальванической развязкой от сети

Современный импульсный блок питания 5V 0.7A с гальванической развязкой от сети

Частота, на которой работают такие устройства составляет 10-30 кГц. (малогабаритные блоки питания могут работать и на большей частоте).
При такой частоте даже небольшой по размеру трансформатор может передать десятки и даже сотни ватт мощности. Вход и выход гальванически развязаны. КПД импульсных источников питания может достигать 60-80%. Основные потери тепла происходят на ключевых транзисторах из-за их недостаточного быстродействия.

Полный список статей моего канала доступен по этой ссылке

Основные принципы работы импульсного блока питания – Теория начинающим – Каталог статей

Здесь мы поговорим об импульсных блоках питания (ИБП), которые на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах. Прежде всего, эта статья посвящена для начинающих специалистов по ремонту электронной техники, поэтому материал будет изложен в упрощенной форме и поможет понять основные принципы работы ИБП. Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется. Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый –выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ) и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств). Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры. Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена на рисунке 1.     Рисунок 1.   Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток I к. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо – схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – широтно – импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса. Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный. В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (рисунок 2). Рисунок 2     Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера. С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится. В заключении хотелось более подробно остановиться на достоинствах ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП т.к. меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 80%. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи. К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5В) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 В. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.   Виктор Малышев

Как ремонтировать импульсный блок питания

Импульсный источник питания – это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Немного о применении и устройстве ИБП

Под аббревиатурой ИБП достаточно часто упоминается источник бесперебойного питания. Чтобы не было разночтений, условимся, что в данной статье это Импульсный Блок Питания.

Практически все импульсные блоки питания, применяющиеся в электронной аппаратуре построены по двум функциональным схемам.

Рис.1. Функциональные схемы импульсных блоков питания

По полумостовой схеме выполняются, как правило, достаточно мощные блоки питания, например компьютерные. По двухтактной схеме изготавливаются также блоки питания мощных эстрадных УМЗЧ и сварочных аппаратов.

Кому доводилось ремонтировать усилители мощностью 400 и более ватт, прекрасно знает, какой у них вес. Речь идет, естественно, об УМЗЧ с традиционным трансформаторным блоком питания. ИБП телевизоров, мониторов, DVD-проигрывателей чаще всего делаются по схеме с однотактным выходным каскадом.

Хотя реально существуют и другие разновидности выходных каскадов, которые показаны на рисунке 2.

Рис.2. Выходные каскады импульсных блоков питания

Здесь показаны только силовые ключи и первичная обмотка силового трансформатора.

Если внимательно посмотреть на рисунок 1, нетрудно заметить, что всю схему можно разделить на две части — первичную и вторичную. Первичная часть содержит сетевой фильтр, выпрямитель напряжения сети, силовые ключи и силовой трансформатор. Эта часть гальванически связана с сетью переменного тока.

Кроме силового трансформатора в импульсных блоках питания применяются еще развязывающие трансформаторы, через которые управляющие импульсы ШИМ – контроллера подаются на затворы (базы) силовых транзисторов. Таким способом обеспечивается гальваническая развязка от сети вторичных цепей. В более современных схемах эта развязка осуществляется при помощи оптронов.

Вторичные цепи гальванически отвязаны от сети при помощи силового трансформатора: напряжение с вторичных обмоток подается на выпрямитель, и далее в нагрузку. От вторичных цепей питаются также схемы стабилизации напряжения и защиты.

Очень простые импульсные блоки питания

Выполняются на базе автогенератора, когда задающий ШИМ контроллер отсутствует. В качестве примера такого ИБП можно привести схему электронного трансформатора Taschibra.

Рис.3. Электронный трансформатор Taschibra

Подобные электронные трансформаторы выпускаются и другими фирмами. Их основное назначение — питание галогенных ламп. Отличительная особенность подобной схемы — простота и малое количество деталей. Недостатком можно считать то, что без нагрузки эта схема просто не запускается, выходное напряжение нестабильно и имеет высокий уровень пульсаций. Но лампочки все-таки светят! При этом вторичная цепь полностью отвязана от питающей сети.

Совершенно очевидно, что ремонт такого блока питания сводится к замене транзисторов, резисторов R4, R5, иногда диодного моста VDS1 и резистора R1, выполняющего роль предохранителя. Просто нечему больше в этой схеме сгореть. При небольшой цене электронных трансформаторов чаще просто покупается новый, а ремонт делается, что называется, «из любви к искусству».

Сначала техника безопасности

Коль скоро имеется такое весьма неприятное соседство первичной и вторичной цепей, которые в процессе ремонта обязательно, пусть, даже случайно, придется пощупать руками, то следует напомнить некоторые правила техники безопасности.

Прикасаться к включенному источнику можно только одной рукой, ни в коем случае не сразу обеими. Это известно каждому, кто работает с электрическими установками. Но лучше не касаться вовсе, или, только после отключения от сети путем выдергивания вилки из розетки. Также не следует на включенном источнике что-то паять или просто крутить отверткой.

В целях обеспечения электробезопасности на платах блоков питания «опасная» первичная сторона платы обводится достаточно широкой полосой или заштриховывается тонкими полосками краски, чаще белого цвета. Это предупреждение о том, что трогать руками эту часть платы опасно.

Даже выключенный импульсный блок питания можно касаться руками только через некоторое время, не менее 2…3 минут после выключения: на высоковольтных конденсаторах заряд сохраняется достаточно долго, хотя в любом нормальном блоке питания параллельно конденсаторам установлены разрядные резисторы. Помните, как в школе предлагали друг другу заряженный конденсатор! Убить, конечно, не убьет, но удар получается достаточно чувствительный.

Но самое страшное даже не в этом: ну, подумаешь, чуть щипнуло. Если сразу после выключения прозвонить электролитический конденсатор мультиметром, то вполне возможно пойти в магазин за новым.

Когда такое измерение предвидится, конденсатор нужно разрядить, хотя бы пинцетом. Но лучше это сделать с помощью резистора сопротивлением в несколько десятков КОм. В противном случае разряд сопровождается кучей искр и достаточно громким щелчком, да и для конденсатора такое КЗ не очень полезно.

И все же, при ремонте приходится касаться включенного импульсного блока питания, хотя бы для проведения каких-то измерений. В этом случае максимально обезопасить себя любимого от поражения электричеством поможет развязывающий трансформатор, часто его называют трансформатор безопасности.

Если же в двух словах, то это трансформатор с двумя обмотками на 220В, мощностью 100…200Вт (зависит от мощности ремонтируемого ИБП), электрическая схема показана на рисунке 4.

Рис.4. Трансформатор безопасности

Левая по схеме обмотка включается в сеть, к правой обмотке через лампочку подключается неисправный импульсный блок питания. Самое главное при таком включении это то, что ОДНОЙ рукой прикасаться к любому концу вторичной обмотки можно безбоязненно, равно как и ко всем элементом первичной цепи блока питания.

О роли лампочки и ее мощности

Чаще всего ремонт импульсного блока питания выполняется без развязывающего трансформатора, но в качестве дополнительной меры безопасности включение блока производится через лампочку мощностью 60…150Вт. По поведению лампочки можно, в общем, судить о состоянии блока питания. Конечно, такое включение не обеспечит гальванической развязки от сети, трогать руками не рекомендуется, но от дыма и взрывов вполне может защитить.

Если при включении в сеть лампочка зажигается в полный накал, то следует искать неисправность в первичной цепи. Как правило, это пробитый силовой транзистор или выпрямительный мост. При нормальной работе блока питания лампочка сначала вспыхивает достаточно ярко (заряд конденсаторов), а потом нить накала продолжает слабо светиться.

Насчет этой лампочки существует несколько мнений. Кто-то говорит, что она не помогает избавиться от непредвиденных ситуаций, а кто-то считает, что намного снижается риск спалить только что запаянный транзистор. Будем придерживаться этой точки зрения, и лампочку для ремонта использовать.

О разборных и неразборных корпусах

Чаще всего импульсные блоки питания выполняются в корпусах. Достаточно вспомнить компьютерные блоки питания, различные адаптеры, включаемые в розетку, зарядные устройства для ноутбуков, мобильных телефонов и т.п.

В случае компьютерных блоков питания все достаточно просто. Из металлического корпуса выкручиваются несколько винтиков, снимается металлическая же крышка и, пожалуйста, вся плата с деталями уже в руках.

Если корпус пластмассовый, то следует поискать на обратной стороне, где находится сетевая вилка, маленькие шурупчики. Тогда все просто и понятно, отвернул и снял крышку. В этом случае можно сказать, что просто повезло.

Но в последнее время все идет по пути упрощения и удешевления конструкций, и половинки пластмассового корпуса просто склеиваются, причем достаточно прочно. Один товарищ рассказывал, как возил в какую-то мастерскую подобный блок. На вопрос, как же его разобрать мастера сказали: «Ты, что не русский?». После чего взяли молоток и быстренько раскололи корпус на две половинки.

На самом деле это единственный способ для разборки пластиковых клееных корпусов. Вот только колотить надо аккуратно и не очень фанатично: под действием ударов по корпусу могут оборваться дорожки, ведущие к массивным деталям, например, трансформаторам или дросселям.

Помогает также вставленный в шов нож, и легкое постукивание по нему все тем же молотком. Правда, после сборки остаются следы этого вмешательства. Но пусть уж будут незначительные следы на корпусе, зато не придется покупать новый блок.

Как найти схему

Если в прежние времена практически ко всем устройствам отечественного производства прилагались принципиальные электрические схемы, то современные иностранные производители электроники делиться своими секретами не хотят. Вся электронная техника комплектуется лишь руководством пользователя, где показывается, какие надо нажимать кнопки. Принципиальные схемы к пользовательскому руководству не прилагаются.

Предполагается, что устройство будет работать вечно или ремонт будет производиться в авторизованных сервисных центрах, где имеются руководства по ремонту, именуемые сервис мануалами (service manual). Сервисные центры не имеют права делиться со всеми желающими этой документацией, но, хвала интернету, на многие устройства эти сервис мануалы находить удается. Иногда это может получиться безвозмездно, то есть, даром, а иногда нужные сведения можно получить за незначительную сумму.

Но даже если нужную схему найти не удалось, отчаиваться не стоит, тем более при ремонте блоков питания. Практически все становится понятно при внимательном рассмотрении платы. Вот этот мощный транзистор — не что иное как выходной ключ, а эта микросхема — ШИМ контроллер.

В некоторых контроллерах мощный выходной транзистор «спрятан» внутри микросхемы. Если эти детали достаточно габаритные, то на них имеется полная маркировка, по которой можно найти техническую документацию (data sheet) микросхемы, транзистора, диода или стабилитрона. Именно эти детали составляют основу импульсных блоков питания.

Даташиты содержат весьма полезную информацию. Если это микросхема ШИМ контроллера, то можно определить, где какие выводы, какие на них приходят сигналы. Тут же можно найти внутреннее устройство контроллера и типовую схему включения, что очень помогает разобраться с конкретной схемой.

Несколько сложнее найти даташиты на малогабаритные компоненты SMD. Полная маркировка на маленьком корпусе не помещается, вместо нее на корпусе ставится кодовое обозначение из нескольких (три, четыре) букв и цифр. По этому коду с помощью таблиц или специальных программ, добытых опять-таки в интернете, удается, правда не всегда, найти справочные данные неведомого элемента.

Измерительные приборы и инструмент

Для ремонта импульсных блоков питания потребуется тот инструмент, который должен быть у каждого радиолюбителя. В первую очередь это несколько отверток, кусачки-бокорезы, пинцет, иногда пассатижи и даже упомянутый выше молоток. Это для слесарно-монтажных работ.

Для паяльных работ, конечно же, понадобится паяльник, лучше несколько, различной мощности и габаритов. Вполне подойдет обычный паяльник мощностью 25…40Вт, но лучше, если это будет современный паяльник с терморегулятором и стабилизацией температуры.

Для отпаивания многовыводных деталей хорошо иметь под руками если не супердорогую паяльную станцию, то хотя бы простенький недорогой паяльный фен. Это позволит без особых усилий и разрушения печатных плат выпаивать многовыводные детали.

Для измерения напряжений, сопротивлений и несколько реже токов понадобится цифровой мультиметр, пусть даже не очень дорогой, или старый добрый стрелочный тестер. О том, что стрелочный прибор еще рано списывать со счетов, какие он дает дополнительные возможности, которых нет у современных цифровых мультиметров, можно прочитать в статье «Стрелочные и цифровые мультиметры – достоинства и недостатки».

Неоценимую помощь в ремонте импульсных блоков питания может оказать осциллограф. Тут тоже вполне возможно воспользоваться стареньким, даже не очень широкополосным электронно-лучевым осциллографом. Если конечно есть возможность приобрести современный цифровой осциллограф, то это еще лучше. Но, как показывает практика, при ремонте импульсных блоков питания можно обойтись и без осциллографа.

Собственно при ремонте возможны два исхода: либо отремонтировать, либо сделать еще хуже. Тут уместно вспомнить закон Хорнера: «Опыт растет прямо пропорционально числу выведенной из строя аппаратуры». И хотя закон этот содержит изрядную долю юмора, в практике ремонта дела обстоят именно таким образом. Особенно в начале пути.

Поиск неисправностей

Импульсные блоки питания выходят из строя намного чаще, чем другие узлы электронной аппаратуры. В первую очередь сказывается то, что присутствует высокое сетевое напряжение, которое после выпрямления и фильтрации становится еще выше. Поэтому силовые ключи и весь инверторный каскад работают в очень тяжелом режиме, как электрическом, так и тепловом. Чаще всего неисправности кроются именно в первичной цепи.

Неисправности можно разделить на два типа. В первом случае отказ импульсного блока питания сопровождается дымом, взрывами, разрушением и обугливанием деталей, иногда дорожек печатной платы.

Казалось бы, что вариант простейший, достаточно только поменять сгоревшие детали, восстановить дорожки, и все заработает. Но при попытке определить тип микросхемы или транзистора выясняется, что вместе с корпусом улетучилась и маркировка детали. Что тут было, без схемы, которой чаще под рукой нет, узнать невозможно. Иногда ремонт на этой стадии и заканчивается.

Второй тип неисправности тихий, как говорил Лёлик, без шума и пыли. Просто бесследно пропали выходные напряжения. Если этот импульсный блок питания представляет собой простой сетевой адаптер вроде зарядника для сотового или ноутбука, то в первую очередь следует проверить исправность выходного шнура.

Чаще всего происходит обрыв либо около выходного разъема, либо у выхода из корпуса. Если блок включается в сеть при помощи шнура с вилкой, то в первую очередь следует убедиться в его исправности.

После проверки этих простейших цепей уже можно лезть в дебри. В качестве этих дебрей возьмем схему блока питания 19-дюймового монитора LG_flatron_L1919s. Собственно неисправность была достаточно простой: вчера включался, а сегодня не включается.

При кажущейся серьезности устройства — как-никак монитор, схема блока питания достаточно проста и наглядна.

Описание схемы и рекомендации по ремонту

После вскрытия монитора было обнаружено несколько вздутых электролитических конденсаторов (C202, C206, C207) на выходе блока питания. В таком случае лучше поменять сразу все конденсаторы, всего шесть штук. Стоимость этих деталей копеечная, поэтому не стоит ждать, когда они тоже вспучатся. После такой замены монитор заработал. Кстати, такая неисправность у мониторов LG достаточно частая.

Вспученные конденсаторы вызывали срабатывание схемы защиты, о работе которой будет рассказано чуть позже. Если после замены конденсаторов блок питания не заработал, придется искать другие причины. Для этого рассмотрим схему более подробно.

Рис 5. Блок питания монитора LG_flatron_L1919s (для увеличения нажмите на рисунок)

Сетевой фильтр и выпрямитель

Сетевое напряжение через входной разъем SC101, предохранитель F101, фильтр LF101 поступает на выпрямительный мост BD101. Выпрямленное напряжение через термистор Th201 поступает на сглаживающий конденсатор C101. На этом конденсаторе получается постоянное напряжение 310В, которое поступает на инвертор.

Если это напряжение отсутствует или намного меньше указанной величины, то следует проверить сетевой предохранитель F101, фильтр LF101, выпрямительный мост BD101, конденсатор C101, и термистор Th201. Все указанные детали легко проверить с помощью мультиметра. Если возникает подозрение на конденсатор C101, то лучше поменять его на заведомо исправный.

Кстати, сетевой предохранитель просто так не сгорает. В большинстве случаев его замена не приводит к восстановлению нормальной работы импульсного блока питания. Поэтому следует искать другие причины, приводящие к перегоранию предохранителя.

Предохранитель следует ставить на тот же ток, который указан на схеме, и ни в коем случае не «умощнять» предохранитель. Это может привести к еще более серьезным неисправностя.

Инвертор

Инвертор выполнен по однотактной схеме. В качестве задающего генератора используется микросхема ШИМ-контроллера U101 к выходу которой подключен силовой транзистор Q101. К стоку этого транзистора через дроссель FB101 подключена первичная обмотка трансформатора T101 (выводы 3-5).

Дополнительная обмотка 1-2 с выпрямителем R111, D102, C103 используется для питания ШИМ контроллера U101 в установившемся режиме работы блока питания. Запуск ШИМ контроллера при включении производится резистором R108.

Выходные напряжения

Блок питания вырабатывает два напряжения: 12В/2А для питания инвертора ламп подсветки и 5В/2А для питания логической части монитора.

От обмотки 10-7 трансформатора T101 через диодную сборку D202 и фильтр C204, L202, C205 получается напряжение 5В/2А.

Последовательно с обмоткой 10-7 соединена обмотка 8-6, от которой с помощью диодной сборки D201 и фильтра C203, L201, C202, C206, C207 получается постоянное напряжение 12В/2А.

Защита от перегрузок

В исток транзистора Q101 включен резистор R109. Это датчик тока, который через резистор R104 подключен к выводу 2 микросхемы U101.

При перегрузке на выходе ток через транзистор Q101 увеличивается, что приводит к падению напряжения на резисторе R109, которое через резистор R104 подается на вывод 2CS/FB микросхемы U101 и контроллер перестает вырабатывать управляющие импульсы (вывод 6OUT). Поэтому напряжения на выходе блока питания пропадают.

Именно эта защита и срабатывала при вспученных электролитических конденсаторах, о которых было упомянуто выше.

Уровень срабатывания защиты 0,9В. Этот уровень задается источником образцового напряжения внутри микросхемы. Параллельно резистору R109 подключен стабилитрон ZD101 с напряжением стабилизации 3,3В, что обеспечивает защиту входа 2CS/FB от повышенного напряжения.

К выводу 2CS/FB через делитель R117, R118, R107 подается напряжение 310В с конденсатора С101, что обеспечивает срабатывание защиты от повышенного напряжения сети. Допустимый диапазон сетевого напряжения, при котором монитор нормально работает находится в диапазоне 90…240В.

Стабилизация выходных напряжений

Выполнена на регулируемом стабилитроне U201 типа A431. Выходное напряжение 12В/2А через делитель R204, R206 (оба резистора с допуском 1%) подается на управляющий вход R стабилитрона U201. Как только выходное напряжение становится равным 12В, стабилитрон открывается и засвечивается светодиод оптрона PC201.

В результате открывается транзистор оптрона, (выводы 4, 3) и напряжение питания контроллера через резистор R102 подается на вывод 2CS/FB. Импульсы на выводе 6OUT пропадают, и напряжение на выходе 12В/2А начинает падать.

Напряжение на управляющем входе R стабилитрона U201 падает ниже опорного напряжения (2,5В), стабилитрон запирается и выключает оптрон PC201. На выходе 6OUT появляются импульсы, напряжение 12В/2А начинает возрастать и цикл стабилизации повторяется снова. Подобным образом цепь стабилизации построена во многих импульсных блоков питания, например, в компьютерных.

Таким образом, получается, что на вход 2CS/FB контроллера с помощью проводного ИЛИ подключены сразу три сигнала: защита от перегрузок, защита от превышения напряжения сети и выход схемы стабилизатора выходных напряжений.

Вот тут как раз уместно вспомнить, как можно проверить работу этой петли стабилизации. Для этого достаточно при ВЫКЛЮЧЕННОМ!!! из сети блоке питания подать на выход 12В/2А напряжение от регулируемого блока питания.

На выход оптрона PC201 зацепиться лучше стрелочным тестером в режиме измерения сопротивлений. Пока напряжение на выходе регулируемого источника ниже 12В, сопротивление на выходе оптрона будет большим.

Теперь будем увеличивать напряжение. Как только напряжение станет больше 12В, стрелка прибора резко упадет в сторону уменьшения сопротивления. Это говорит о том, что стабилитрон U201 и оптопара PC201 исправны. Следовательно, стабилизация выходных напряжений должна работать нормально.

В точности так же можно проверить работу петли стабилизации у компьютерных импульсных блоков питания. Главное разобраться в том, к какому напряжению подключен стабилитрон.

Если все указанные проверки прошли удачно, а блок питания не запускается, то следует проверить транзистор Q101, выпаяв его из платы. При исправном транзисторе виновата, скорей всего, микросхема U101 или ее обвязка. В первую очередь это электролитический конденсатор C105, который лучше всего проверить заменой на заведомо исправный.

Ранее ЭлектроВести писали, что ОП “Энергоатом-Трейдинг” на торгах Украинской энергетической биржи (УЭБ) реализовал 168 тыс. МВт*ч “ночной” электроэнергии по цене 682,35 грн/МВт*ч, что на 43,2% ниже стартовой цены, составляющей 1200 грн/Мвт*ч.

По материалам: electrik.info.

Узел защиты импульсного блока питания

РадиоКот >Схемы >Питание >Блоки питания >

Узел защиты импульсного блока питания

            Понадобился мне для трансивера IC-751A блок питания, который при напряжении 13,8В обеспечивал бы ток порядка 15 – 20А. Так ко мне в «пациенты» благодаря Виталию Холостякову UR4QTP попал импульсный блок питания (ИБП) РС АТХ TARGA PТ-400СF с заявленной мощностью в 400Вт. Блок построен на аналоге популярного контроллера ШИМ TL494, а именно КА7500, и супервизоре питания LP7510.

            О модернизации и регулировании напряжения ИБП достаточно много и подробно написано на множестве форумов в Интернете. Поэтому вопросов здесь особых не возникло, и достаточно быстро от блока было получено желаемое количество вольт. А вот с перестройкой узла защиты возникли проблемы.  Супервизор LP7510 при повышенном выходном напряжении не желал нормально работать, что приводило к нестабильному запуску блока даже без внешней нагрузки. «Обман» супервизор с помощью делителя напряжения вернул стабильный запуск с нагрузкой и без нее, но защита от превышения напряжения на выходе ИБП стала срабатывать при 16,8-17,2В, что при желаемом значении в 15В было явно много. В результате всех экспериментов ничего полезного не получилось, а LP7510 пал смертью храбрых. Поиски замены ему за вменяемые деньги ни к чему не привели, и, перечитав множество статей в Интернете, решил я собрать новый узел защиты на популярной микросхеме LM339. С помощью ее 4-х компараторов удалось получить следующий набор защит:

– защита от снижения выходного напряжения ниже 9,6В

– защита от повышения выходного напряжения выше 14,8В

– защита от перегрева радиаторов с силовыми транзисторами и сборкой диодов Шоттки выше температуры 65 – 70°С

– защита от перегрузки

Защита от снижения выходного напряжения ниже 9,6В выполнена на компараторе DA1.1. Напряжение с выхода бока питания попадает через делитель напряжения R4-R6 на инвертирующий вход компаратора. На не инвертирующий вход подается опорное напряжение 1,9В. Подходящего стабилитрона под руками не нашлось, поэтому использовал индикаторный красный светодиод. Конденсатор С5 обеспечивает задержку срабатывания защиты на время, достаточное для запуска блока питания.

Защита от повышения выходного напряжения выше 14,8В выполнена на компараторе DA1.2. Напряжение с выхода бока питания попадает через делитель напряжения R11 – R13 на не инвертирующий вход компаратора. На инвертирующий вход подается опорное напряжение 3,9В от стабилитрона D4. Резистор R10 обеспечивает необходимый режим работы стабилитрона. Задержки срабатывания этой защиты не предусмотрено.

Защита от перегрева радиаторов выполнена на компараторе DA1.3. В качестве датчика температуры S1 используется 2 последовательно соединенных термостата типа KSD301-65 с температурой срабатывания 65°С и нормально замкнутыми контактами. При размыкании контактов хотя бы одного из термостатов напряжение на не инвертирующем входе  компаратора благодаря цепочке R16 – LED3 станет около 2,5-2,7В, что, при опорном напряжении на инвертирующем входе 1,9В, приведет к остановке ИБП. Светодиод выведен на переднюю панель для контроля срабатывания этой защиты.

Защита от перегрузки выполнена на компараторе DA1.4. Величина потребляемого тока контролируется по ширине импульсов тока силовых транзисторов с помощью датчика тока Т1. Диоды Шоттки D6 – D8 выпрямляют напряжение с датчика. Конденсатор С9 обеспечивает некоторую задержку срабатывания защиты. Подстроечный резистор R20 позволяет плавно установить ток срабатывания защиты.

            Диоды D1, D3, D5, D7 образуют схему «монтажного ИЛИ», что обеспечивает  развязку каналов защиты друг от друга.  Транзисторы VT1 – VT2 образуют схему «защелки» и обеспечивают удержание ИБП в отключенном состоянии при срабатывании хотя бы одного из каналов защиты.  Светодиод LED2 красного цвета выведен на переднюю панель и сигнализирует об аварийной остановке ИБП. Диоды D2 обеспечивает удержание «защелки» во включенном состоянии.

            Узел защиты питается напряжением +15В от источника питания дежурного режима через интегральный стабилизатор типа 7805. Мощность, которая выделяется при работе стабилизатора, составляет около  0,7Вт, поэтому его желательно установить на небольшой радиатор.

            Датчик тока Т1 намотан на ферритовом кольце диаметром 10мм (я использовал ферритовое кольцо желтого цвета, снятое со старой материнской платы) проводом 0,25 – 0,33мм в эмалевой изоляции. Всего намотано 25 витков в 2 провода. Далее конец одного провода соединяется с началом другого, в результате получается средняя точка датчика.

            Настройку узла защиты удобно выполнять отдельно по каждому каналу, для этого необходимо временно отключить один из выводов диода D2.

            Настройка защиты от снижении выходного напряжения выполняется подстроечным резистором R4. Для этого на выходе блока питания устанавливается напряжение необходимой величины и вращением оси R4 добиваются срабатывания защиты. После этого подстроечный резистор заменяем постоянным с таким же сопротивлением. Далее возвращаем  D2  на свое место и подбираем емкость конденсатора С5, начиная с меньшей, чем указано, величины, добиваясь устойчивого запуска ИБП с подключенной защитой без нагрузки.

            Настройку защиты от превышения выходного напряжения начинаем с отключения одного из выводов диода D2. На выходе блока питания устанавливается напряжение необходимой величины и вращением оси R11 добиваются срабатывания защиты. После этого подстроечный резистор заменяем постоянным с таким же сопротивлением.

            Канал защиты от перегрева настройки не требует. Достаточно проверить его работу, размыкая цепочку термостатов S1.

            При установке термостатов желательно нанести тонкий слой теплопроводящей пасты на место будущей их установки. Это позволит немного увеличить скорость срабатывания защиты.

            Настройку защиты от перегрузки начинают со снятия зависимости выходного напряжения датчика тока Т1 от тока нагрузки. Зависимость оказалась практически линейной, что позволило достаточно точно определить напряжение на выходе датчика при желаемой величине тока срабатывания. Я решил ограничиться величиной тока в 25А, а расчетное напряжение в моем случае оказалось 10,65В. Впоследствии эту величину пришлось уточнить  – 10,58В. С лабораторного блока питания подается напряжение рассчитанной величины в точку соединения D6 – D8 – C8 – R17 и вращением оси подстроечного резистора R20 добиваются срабатывания защиты. Далее возвращаем на место диод D2 и ИБП нагружается номинальной нагрузкой. Если при этом наблюдается срабатывание защиты от перегрузки то можно в небольших пределах изменить положение оси подстроечного резистора  R20 в сторону вывода, соединенного с общим проводом. Но увлекаться этим нельзя, так как это приведет к сильному загрублению защиты. В этом случае необходимо увеличить емкость конденсатора С9 до получения устойчивого запуска ИБП с подключенной нагрузкой номинальной величины.

            После окончания настройки необходимо проверить подключенное состояние диода D2. Без него «защелка» не будет удерживаться во включенном состоянии.

            Наличие 2-х светодиодов позволяет достаточно точно определить причину аварийной остановки ИБП и принять соответствующие меры.

            Из-за того, что узел защиты питается от источника питания дежурного режима, он совершенно не зависит от наличия или отсутствия напряжения на выходе ИБП. Поэтому при аварийной остановке «защелка» VT1 – VT2 останется во включенном состоянии. Для ее сброса достаточно отключить питание всего ИБП и дождаться потухания «аварийных» светодиодов. Теперь можно повторить запуск блока питания.

            Весь узел защиты собран на макетной плате подходящих размеров (примерно 50х50мм) и установлен вертикально у задней стенки родного металлического корпуса.

Все вопросы в Форум.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Russian HamRadio – Импульсные блоки питания бытовых радиоустройств.

Казалось бы, что еще надо? Проще не придумаешь! Трансформатор, мостовой выпрямитель и фильтр — все просто и понятно. Так нет, придумали всякие импульсные блоки питания (ИПБ), ломай себе голову! Каждая уважающая себя фирма выпускает свои блоки по своим схемам, а когда сломаются, думай, т. к. самому ремонтировать — сложно и непонятно, а в мастерской — дорого! Так вот, ничего особенно сложного в импульсных блоках питания нет. Да, ИБП сложнее, чем обычные блоки питания. Но это потому, что к функциям ИБП относится не только получение питающих напряжений, но и их стабилизация, а также защита самого ИБП и каскадов, которые от него питаются, от различных неприятностей. Принципы работы импульсного обратноходового блока питания Первоначальное распространение ИБП получили преимущественно в телевизионных приемниках (ТВ), в дальнейшем — в видеомагнитофонах (ВМ) и другой видеоаппаратуре, что объясняется, в основном, двумя причинами. Во-первых, чувствительность ТВ и ВМ к создаваемым импульсным БП помехам значительно ниже, чем, например, аппаратуры звуковоспроизведения, особенно высококачественного. Во-вторых, ТВ и ВМ отличаются относительным постоянством и сравнительно небольшой величиной (10…80 Вт) потребляемой мощности. Колебания этой мощности в ТВ обусловлены изменениями яркости экрана при смене сюжетов и составляет не более 20 Вт (приблизительно 30 % максимальной потребляемой мощности). Для ВМ колебания мощности, потребляемой в нагрузке, возникают, в основном, только при переключении режимов работы ЛПМ и составляют несколько ватт. Для примера, в стереофоническом усилителе с выходной мощностью 2×20 Вт колебания мощности достигают 70…80 Вт (приблизительно 70…80 % максимальной потребляемой мощности). Поэтому для этого класса радиоаппаратуры ИБП получаются более дорогостоящими из-за необходимости использования мощных двухтактных схем преобразователей (конверторов), более сложных стабилизаторов, фильтров и т. д. В связи с этим конструкторы как более ранних, так и современных моделей ТВ и ВМ, как правило, придерживаются хорошо зарекомендовавших себя с точки зрения надежности, экономичности и простоты принципов построения импульсных блоков питания. Основные усилия направляются, в первую очередь, на совершенствование и миниатюризацию элементной базы; повышение надежности ИБП (в том числе путем введения различных защит) и расширение рабочего диапазона питающего их напряжения сети. Несмотря на большое разнообразие схем ИБП принцип работы большинства их одинаков. Выпрямленное напряжение сети питает однотактный генератор, нагрузкой которого является импульсный трансформатор с вторичными выпрямителями, от которых питаются все потребители. Генератор может быть выполнен как с самовозбуждением, так и с внешним запуском. Транзистор генератора работает в ключевом режиме. Когда транзистор открыт, происходит накопление энергии в импульсном трансформаторе, когда закрыт — энергия, отдается в нагрузку. На рис. 1 показана схема простейшего автогенератора. Рис.1. Работает он так. В начальный момент транзистор (ключ) VT1 закрыт. При подаче питания через R1 начинает течь небольшой ток, создающий напряжение смещения на базе ключа Uбэ, достаточное для того, чтобы вызвать небольшой ток коллектора ключа IK и, соответственно, через коллекторную обмотку трансформатора Iтр (см. рис. 2, а, б]. По законам физики изменение тока в обмотке I вызовет появление ЭДС индукции, которая препятствует изменению тока в обмотке и вызывает напряжения взаимоиндукции в обмотках обратной связи II и в выходной обмотке III. Обмотки включены таким образом, что на верхнем выводе обмотки III будет “минус”, а на верхнем выводе обмотки II — “плюс”. Диод VD1 будет закрыт, а с обмотки II “плюс” окажется , приложен к базе VT1 и вызовет появление дополнительного тока базы, что, в свою очередь, вызовет насыщение транзистора. Поскольку к обмотке I трансформатора приложено полное постоянное напряжение источника питания, ток через нее линейно нарастает, пока сердечник трансформатора Т1 не войдет в насыщение. В этот момент ток коллектора VT1 резко возрастает, а напряжение на обмотках II и III падает. Транзистор выходит из насыщения, происходит лавинообразный процесс его закрывания. Рис.2. В сердечнике трансформатора накопилась энергия и при закрывании транзистора VT1 произойдет изменение полярности ЭДС индукции, которая теперь будет направлена противоположно ЭДС при нарастании тока обмотки. При этом на обмотке I возникнет импульс напряжения, который приложен плюсом к коллектору транзистора, а минусом — к плюсу источника питания. В результате между коллектором и эмиттером ключа возникнет выброс напряжения 500…600 В. При этом отрицательное напряжение с обмотки обратной связи II надежно закроет ключ, а положительное напряжение с обмотки III откроет диод VD1 и конденсатор С2 начнет заряжаться (см. рис. 2, в). Чем больше ток заряда, т. е. чем быстрее израсходуется энергия трансформатора, тем быстрее процесс повторится. Итак, сердцем импульсного блока питания является генератор. Обязательными элементами его являются импульсный трансформатор и транзистор -ключ. Вторичных обмоток у трансформатора может быть несколько. Импульсные источники питания на небольшую мощность (< 30…50 Вт) обычно выполняются по схеме, где функции генерации, управления и стабилизации вторичных напряжений совмещены. Объединение несколько функций в одном устройстве упрощает схему устройства, уменьшает потери, облегчает режим работы выходного транзистора, уменьшает габариты. Кроме того, все эти функции взаимосвязаны, поэтому их реализация труда не представляет. У таких ИБП система стабилизации обычно перенесена из вторичных цепей в первичную, где значения токов уменьшены на коэффициент, равный коэффициенту трансформации. Сравнивая ИПБ с традиционным блоком питания с низкочастотным трансформатором, видим, что выпрямительные диоды сетевого напряжения также перенесены в сторону первичной цепи, вследствие чего через диоды будут протекать токи, тоже уменьшенные в коэффициент трансформации раз. При этом силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, исключается, а вместо него вводится импульсный трансформатор, работающий на частоте до 100 кГц с ферритовым магнитопроводом и имеющий в несколько раз меньшие габаритные размеры и массу. Кроме того, уменьшаются габариты фильтров вторичных выпрямителей, так как при частоте 30… 100 кГц для получения хорошей фильтрации нужны существенно меньшие емкости, и можно обойтись без дросселей. Поэтому при тех же параметрах блока питания габариты ИБП в десятки раз меньше габаритов обычного блока питания, работающего на частоте 50 Гц. Источники на большую мощность, как правило, выполняют с внешним возбуждением, для чего разработано множество специализированных микросхем. Разбирая функциональную схему более сложного ИБП, представленную на рис. 3, кое в чем повторюсь. Основными функциональными узлами этого устройства являются: сетевой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром С1; ключ VT1; импульсный трансформатор Т1; устройство запуска; устройство управления; цепь обратной связи; вторичный выпрямитель импульсных напряжений VD1C2. Напряжение сети 220В поступает на выпрямитель, после чего сглаживается емкостным фильтром С1. С конденсатора фильтра выпрямленное напряжение через обмотку I трансформатора Т1 поступает на коллектор транзистора VT1, выполняющего функцию ключа. Устройство управления обеспечивает периодическое включение и выключение транзистора VT1. В стационарном режиме напряжение на выходегде n = N1/N3 — коэффициент трансформации, Т — период импульсов, AT -длительность включенного состояния транзистора VT1 (рис. 2). Изменяя AT можно регулировать выходное напряжение. Амплитуда импульсов тока через транзистор и диод зависит от индуктивности первичной обмотки трансформатора. При оптимальном ее значении максимальный ток через первичную обмотку вдвое превышает средний ток через нее. При этом ток через диод прекращается в момент открывания транзистора. Изменять соотношение между Т и AT можно разными способами. Наиболее подходящий способ регулирования величины выходного напряжения — широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Основные достоинства ШИМ — постоянство периода повторения Т и простота реализации, Поэтому ШИМ применяют практически во всех конструкциях ИБП. Устройство управления ключевым транзистором называется контроллером, в данном случае — ШИМ-контроллером. Вообще, под ШИМ-контроллером подразумевают все устройство управления, включая элементы запуска и защиты, так как они являются неотъемлемой частью ИБП и часто используют одни и те же элементы. Разберем по порядку свойства каждого узла импульсного блока питания. Узел запуска. Необходимость наличия узла запуска вызвана тем, что при включении ИБП возможны большие перегрузки его элементов, поскольку разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей представляют собой очень малое сопротивление для импульсов, снимаемых с вторичных обмоток трансформатора. Пусковые токи могут достигать 50… 100А, что создает аварийный режим работы. Рис.3. Устройство запуска обеспечивает принудительную коммутацию транзистора ключа со значительно меньшей длительностью включенного состояния в течение нескольких циклов, за время которых происходит заряд конденсаторов фильтров импульсных выпрямителей. Одновременно это исключает возможность возникновения аварийной ситуации, так как длительность импульсов плавно возрастает, постепенно выводя ИБП на номинальный режим. В импортных ИБП наибольшее распространение получила подача на ключ начального открывающего смещения. В момент подачи питания через резисторы от плюса сетевого выпрямителя на базу ключа подается смещение, достаточное для создания начального тока через ключ и плавного запуска. После нескольких циклов ИБП переходит в нормальный режим и больше цепь запуска не используется. Во многих импортных ИБП цепь запуска не отключается, что иногда приводит к выходу из строя ключа при неисправности одного из вторичных выпрямителей, если не применяется схема защиты от короткого замыкания. В отечественных телевизорах применяются несколько вариантов запуска ИБП. Одна из них — генератор, собранный на однопереходном транзисторе серии КТ117. В течение некоторого времени, достаточного для надежного запуска ИБП, генератор на КТ117 генерирует импульсы, которые подаются на базу ключевого транзистора и вызывают запуск цикла работы автогенератора. Если неисправность отсутствует, то конденсаторы фильтров заряжаются и автогенератор входит в нормальный режим. Иначе схема запуска отключится и ИБП не запустится. Устройство управления. На него возлагается функция отслеживания уровня выходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственного управления ключом. Рис.4. Обычно устройство управления представляет собой цепь сравнения реального выходного напряжения и образцового, выработанный сигнал ошибки подается на исполнительный узел, управляющий непосредственно ключевым транзистором (рис. 4). Несмотря на кажущуюся сложность функциональной схемы устройства управления, принципиальная схема такого узла, получившего распространение в ИБП на транзисторах, несложна (рис. 5). Устройство управления питается от обмотки II трансформатора Т1 (рис. 3), поэтому напряжение на нем пропорционально напряжению на вторичных обмотках, т. е. с хорошей степенью приближения соответствует выходному. Рис.5. В момент включения напряжение на конденсаторе С1 равно нулю и транзистор VT1 закрыт. После начала работы преобразователя и, пока он не вошел в нормальный режим, транзистор VT1 находится в открытом состоянии и позволяет работать генератору, выходное напряжение и напряжение на С1 увеличиваются. При достижении этими напряжениями номинальных значений открывается стабилитрон VD1 и дальнейшее увеличение напряжений приводит к постепенному закрыванию транзистора VT1. В рабочем режиме на выходе присутствует положительное напряжение, которое подается на исполнительное устройство. При увеличении выходного напряжения напряжение, подаваемое на исполнительное устройство, будет уменьшаться, изменяя условия его работы и вызывая уменьшение выходного и, как следствие, его стабилизацию. Исполнительное устройство представляет собой ключ, срабатывающий при достижении током коллектора силового ключа определенной величины, или цепь, шунтирующую переход база-эмиттер того же силового ключа при достижении определенного уровня напряжения. Цепи защиты. Сложность того или иного ИБП во многом зависит от сложности примененных цепей защиты. В дешевых моделях ИБП используются простейшие варианты. Вообще защитные устройства можно разделить по функциям на следующие: защитные устройства всего ИБП, сетевого выпрямителя, от перенапряжения сети, от слишком малого напряжения сети, от перегрузки (короткого замыкания), от холостого хода и так далее. По сложности исполнения их можно разделить на простые (предохранители, защитные резисторы), среднего уровня сложности и большой сложности. В ИБП может быть применено сразу несколько типов защит различной степени сложности. Однако, несмотря на то, что встраивание сложных защит мотивируется благими целями, увеличение сложности устройств в результате нередко оборачивается уменьшением их надежности за счет увеличения числа элементов, ухудшением ремонтопригодности и, соответственно, увеличением стоимости ремонта. А так как цепи защиты встраиваются непосредственно в ИБП, то их выход из строя также приводит к выходу из строя и элементов самого ИБП. Простейшим защитным элементом является предохранитель. В любом устройстве он устанавливается на входе ИБП. Предохранитель является инерционным прибором, поэтому он не защищает ни ключевой транзистор, ни многие другие элементы блока питания. Назначение предохранителя — защита устройства от возгорания при пробое ключа или конденсатора сетевого фильтра, обычно он в таких случаях спасает трансформатор и диоды выпрямителя. Следующий защитный элемент , включенный последовательно с выпрямительным мостом резистор, который выполняет две функции. Первая ограничивает мгновенный ток через мост в момент включения ИБП. Вторая выполняет функции предохранителя. Как и предохранитель, защитный резистор является инерционным элементом. Он перегорает при превышении среднего тока через него. Часто во вторичных выпрямителях применяют защитные диоды, включенные параллельно нагрузке. На схемах они обозначаются как стабилитроны, но это не совсем так. Когда на защитном диоде напряжение меньше порога срабатывания, он не потребляет тока и не влияет на работу ИБП. При появлении на таком диоде напряжения, на которое он рассчитан, он пробивается и ограничивает напряжение на нагрузке. Если ИБП при этом не выключается, то диод от перегрева сплавляется и вызывает короткое замыкание для ИБП, который выключается. ИБП, в котором применяются такие “стабилитроны”, должен иметь защиту от перегрузок. Напряжение на защитном диоде может повыситься из-за резких скачков сетевого напряжения, мощной импульсной помехи в сети, неисправности самого ИБП. Таким образом, защитный диод предохраняет устройства, стоящие в данной цепи. Защитный диод не восстанавливается и после срабатывания подлежит замене, но ни в коем случае не на обычный стабилитрон! Остальные устройства защиты представляют собой узлы, состоящие из нескольких элементов, и интегрированы со схемой ИБП. Такие устройства могут быть с внутренним управлением, отслеживающие состояние ИБП и управляющие им, и с внешним управлением, следящие за состоянием цепей вторичных источников питания и даже исправностью всего устройства в целом, например, телевизора. Чем больше применено таких защитных устройств, тем сложнее ремонт. Иногда приходится изобретать способы запуска ИБП, выключенного каким-либо защитным устройством, отключать защиту, прибегать к различным уловкам, чтобы найти неисправность. Разбор схем блоков питания на транзисторах начнем с самых простых: ИБП телевизора Sanyo CKM 3022-00 и видеоплеера Funai VIP-5000LR. Вариант управления ключом, примененный в этих устройствах, встречается довольно часто и даже в микросхемном исполнении. Некоторые непринципиальные элементы, такие как выпрямители сетевого напряжения и вторичные выпрямители, не показаны. Источник питания телевизора Sanyo CKM 3022-00 Схема этого источника приведена на рис. 6. Напряжение +290В с сетевого выпрямителя подается через обмотку 3-7 на коллектор ключевого транзистора Q513. Его база через резисторы R520, R521, R522, R524 подключена к источнику питания +290В — цепь начального смещения ключа. К цепи базы ключа непосредственно подключен транзистор Q512, он управляет напряжением на базе ключа. Рис.6. Режим работы транзистора Q512 определяет транзистор Q511, ток базы которого, в свою очередь, определяется оптопарой D515. Светодиод оптопары включается транзистором Q553. Конденсатор С507 сглаживает пульсации, приходящие с сетевого выпрямителя. Причем чем больше емкость конденсатора, тем меньше амплитуда пульсаций и чем меньше ток, потребляемый ИБП, тем меньше пульсации. Емкость этого конденсатора разработчики выбирают, исходя из уровня допустимых пульсаций, и при ремонте желательно ставить конденсатор с не меньшей емкостью. И конечно, рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 350…400 В. Напряжение начального смещения поступает на базу Q513 через резисторы R520, R521, R522, R524. В первый момент никаких других сигналов на базу не подается, транзистор Q512 закрыт. Появляется небольшой ток коллектора ключа, и на выводе 1 обмотки обратной связи возникает небольшое напряжение положительной полярности, которое через диод D517 и резистор R524 поступает на базу Q513, вызывая увеличение тока его коллектора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока Q513 не войдет в режим насыщения, при этом Q512 закрыт и влияния на работу ключа не оказывает, т. к. сопротивление фототранзистора оптопары велико и транзистор Q511 закрыт. Далее происходят процессы, описанные в первой части статьи. При запирании транзистора Q513 вся энергия, накопленная трансформатором, пойдет на зарядку конденсаторов фильтров вторичных выпрямителей, причем одного цикла заряда будет недостаточно. Поэтому пауза между импульсами будет минимальна, а время открытого состояния ключа, во время которого энергия накапливается в трансформаторе, — максимально. Момент включения ИБП — самый тяжелый для ключевого транзистора, поэтому почти все неисправности возникают именно в этот момент. После нескольких циклов зарядки конденсаторов вторичных выпрямителей напряжение на их выходах станет близким к номинальному. Начнет работать устройство сравнения на Q553. Эмиттер 0553 подключен к источнику образцового напряжения на стабилитроне D561. Напряжение на стабилитрон подается с выхода +130В через резистор R554 и растет с увеличением напряжения на этом выходе. Когда напряжение на выходе выпрямителя станет больше напряжения стабилизации стабилитрона, напряжение на нем изменяться перестанет, т. е. напряжение на эмиттере Q553 зафиксируется. База Q553 подключена к регулируемому делителю таким образом, что когда напряжение выпрямителя станет близким к +130В, напряжение на базе станет больше, чем напряжение на эмиттере, и транзистор начнет открываться. Так как нагрузкой коллекторной цепи является светодиод оптопары, то через светодиод потечет ток, он начнет излучать световой поток на фототранзистор, сопротивление которого начнет уменьшаться. Причем чем сильнее открыт Q553, тем больше световой поток и тем меньше сопротивление фототранзистора. Фототранзистор подключен к цепи базы Q511, и уменьшение сопротивления фототранзистора вызывает открывание 0511, который в свою очередь влияет на работу Q512. Режим работы Q512 меняется. Теперь, когда положительный импульс обратной связи приходит на базу ключа, часть его напряжения, поступающего через резистор R526, складывается с напряжением, приходящим с 0511, и транзистор Q512 начинает ограничивать амплитуду импульса обратной связи. Чем сильнее открыт Q553 (а также Q511), тем меньше амплитуда импульсов обратной связи, тем раньше выключится ключ и тем меньше энергии накопится в трансформаторе, что вызовет прекращение роста напряжения на выходах вторичных выпрямителей. Теперь наступает рабочий режим ИБП, во время которого происходит слежение за выходным напряжением. При увеличении напряжения на выходе выпрямителя до +130В транзистор Q553 открывается сильнее, световой поток светодиода оптопары увеличивается, сопротивление фототранзистора уменьшается, Q511 открывается больше, смещение на базе Q512 увеличивается, и он сильнее шунтирует цепь базы ключа Q513. Ключ начинает закрываться раньше, и напряжение на выходах вторичных выпрямителей уменьшается. Обратный процесс происходит при уменьшении выходного напряжения +130 В. Что произойдет, если выйдут из строя элементы устройства сравнения, оптопара или другие элементы? Пробой Q553 вызовет резкое уменьшение выходного напряжения или даже срыв генерации, т. к. в этом случае (а также при обрыве R551, R553, R556, пробое D561) светодиод оптопары станет излучать максимальный световой поток, фототранзистор и Q511 максимально откроются, смещение на базе Q512 станет максимальным и он максимально ограничит напряжение обратной связи на базе ключа вплоть до срыва колебаний. К отсутствию запуска приведет обрыв резисторов R520—R521, R524, пробой Q512. В случае, когда оборвутся R552, R555, Q553, светодиод или фототранзистор оптопары, Q511, Q512, R526, преобразователь будет работать в режиме генерации максимальной мощности и быстро выйдет из строя. Остальные элементы устройства, такие как С514, R519, R525, С516, С517, D514, D516 и R517, улучшают условия возбуждения, препятствуют появлению выбросов на коллекторе 0513 и т. д. Защита в этом ИБП минимальна — на входе сетевого питания стоит предохранитель и между сетевым выпрямителем и конденсатором фильтра установлен защитный резистор R502 на 3,9 Ом. Так что защиты практически никакой, резистор сгорит только после того, как пробьется ключ. Импульсный блок питания видеоплеера Funai VIP-500QLR В приведенной на рис. 7 схеме не показано устройство сравнения, т. к. его работа аналогична работе этого узла в телевизоре Sanyo. И вообще, вся схема во многом повторяет рассмотренную выше. Рис.7. Резисторы R4 и R7 — цепь начального смещения ключа Q2. Цепь обратной связи — выводы 4-3 обмотки обратной связи, диод D3, резистор R7. Управляет работой ключа транзистор Q1, на который приходит сигнал рассогласования с оптопары. При изменении сопротивления фототранзистора изменится ток в цепи: плюс питания, R1, фототранзистор оптопары, D1, переход база-эмиттер Q1, минус питания. Резисторы R12 и R13 являются датчиками тока ключа. При прохождении тока коллектора на них появляются импульсы напряжения, которые через диод D2 поступают на базу Q1. Сигнал рассогласования — это медленно изменяющееся напряжение, а импульсы датчика тока — импульсы напряжения, повторяющие форму тока ключа. Эти импульсы складываются с напряжением ошибки и управляют транзистором Q1, который, открываясь при достижении суммарным напряжением определенного порога, ограничивает амплитуду импульсов тока ключа. Таким образом, от напряжения смещения на базе Q1, приходящего с оптрона, зависит время открытого состояния ключа, т. е. напряжение на выходах вторичных выпрямителей. Рис.8. Далее рассмотрим цепь управления ключом, выполненную по другому принципу. Данная цепь с незначительными изменениями применена во многих телевизорах, таких как Akai CT-1405E, Elekta CTR-2066DS и других (рис. 8). На транзисторе Q1 собрано устройство сравнения, его схема практически не отличается от других, рассмотренных раньше. Питается устройство сравнения от отдельной обмотки и выпрямителя D5 с фильтром С2. Начальное смещение на ключ Q4 подается через резистор R7, обычно представляющий собой несколько последовательно включенных резисторов, что объясняется более низкой ценой двух маломощных резисторов по сравнению с одним мощным, рассчитанным на напряжение более 300 В. Цепь обратной связи здесь подключена не так, как мы разбирали раньше. Один вывод обмотки обратной связи подключается как обычно к базе ключа, а другой — на диодный распределитель D3, D4. Что получается в результате? Транзисторы Q2 и Q3, представляющие собой составной транзистор, являются регулируемым сопротивлением. Это сопротивление (между плюсом конденсатора СЗ и эмиттером Q3) зависит от приходящего с Q1 сигнала рассогласования. Так как транзистор Q2 имеет структуру p-n-р, то с увеличением приходящего на базу напряжения его ток коллектора уменьшается, сопротивление составного транзистора увеличивается. Это свойство здесь и используется. Рассмотрим момент запуска. Конденсатор СЗ разряжен. Цепь обратной связи подключена плюсом к базе, минусом через D4 и R9 к общему проводу. Происходит линейное нарастание тока коллектора, которое заканчивается закрыванием транзистора. При этом полярность напряжения на обмотке обратной связи меняется на обратную и этим напряжением через диод D3 заряжается конденсатор СЗ. Конденсатор СЗ окажется подключенным к переходу база-эмиттер ключа через сопротивление составного транзистора минусом на базу и закроет ключ. Время разряда СЗ и закрывающее напряжение зависят от сопротивления составного транзистора. В момент запуска блока питания это сопротивление велико и разрядка конденсатора СЗ не задерживает очередной цикл, однако в установившемся режиме задержка очередного цикла получается достаточной для регулировки средней мощности, отдаваемой в нагрузку. Таким образом, мы видим, что рассматриваемый вариант не является ШИМ. Если в предыдущих устройствах регулированию подвергалось время открытого состояния ключа, то в этом регулируется время закрытого состояния. Владимир Носов Литература: 1. О. В. Колесниченко, И. В. Шишигин, В. А. Обрученков. Интегральные микросхемы зарубежной бытовой видеоаппаратуры. — С.-Пб: Лань, 1996. 2. С. А. Ельяшкевич. Цветные стационарные телевизоры и их ремонт: Справочник. 3-е изд., стереотипное. — М.: КУбК-а, 1996. 3. В. С. Соколов, Ю. И. Пичугин. Ремонт цветных стационарных телевизоров 4УСЦТ. Справочное пособие. — М.: Радио и связь, 1994. 4. С. А. Ельяшкевич, А. Е. Пескин. Телевизоры пятого поколения “Рубин”, “Горизонт”, “Электрон”. Устройство, регулировка, ремонт. — М.: Символ-Р, 1994.   Материал подготовил Ю. Замятин (UA9XPJ).

Copyright © Russian HamRadio

Что такое импульсный блок питания против линейного, как он работает?

Когда нам нужен высокоэффективный блок питания небольшого размера. Многие выбирают импульсный блок питания. Раньше мне нравились линейные блоки питания. Но иногда я должен пробовать другие способы.

В этом посте мы узнаем, что такое импульсный источник питания по сравнению с линейным, как это работает?

Тебе, может быть, он нравится так же, как и мне. После прочтения этой статьи.

Какие бывают типы блоков питания

Блок питания является источником энергии для различных цепей.Он преобразует сеть переменного тока в напряжение постоянного тока. Это постоянное или переменное напряжение, применяемое в вашей работе.

Существует 2 основных типа источников питания:

• Обычно используется линейный источник питания.
  Это простые схемы не сложные. Но они большие и низкий КПД всего около 50% и более. При их работе наблюдаются потери в виде сильного нагрева.

• Импульсный источник питания В настоящее время
  Многие предприятия выбирают этот тип источника питания.Потому что маленький Высокий КПД составляет около 85% и более. Представьте, что мы вводим 100% электроэнергии. Его можно преобразовать в 85% энергии. И 15% теряется в виде тепла.

А вот схема импульсного питания довольно сложная. Раньше я старался избегать этого, потому что не был уверен, смогу ли я это легко объяснить.

Готовы начать?

Для начала рассмотрим блок-схему импульсного блока питания. Хотя конструкция выглядит сложной.Но если схему можно разделить на части, это будет проще для понимания.

Блок-схема импульсного блока питания

Изюминка этой схемы – работа с высокой частотой. Поэтому имеет трансформатор меньшего размера. Имеется система переключения с высокими частотами.

Входная и выходная цепи включают в себя схему выпрямителя и фильтра. и детектор напряжения ошибки для контроля стабильного напряжения.

Конечно, сейчас можно не понять. Но когда вы прочтете следующий раздел, друзья поймут больше.

Что еще?

В импульсном блоке питания есть 4 типа выпрямительных схем

Встречайте выпрямитель переменного тока в постоянный, простой, но очень полезный

Импульсный блок питания будет иметь выпрямительную схему как на входе, так и на выходе. По большей части это схема мостового выпрямителя.

Части преобразователя переменного тока в постоянный – выпрямитель. В линейной схеме эта схема важна. В схеме импульсного питания также важна выпрямительная схема.

Важным устройством является диод, который представляет собой полупроводниковое устройство, позволяющее току течь только в одном направлении.Затем через фильтр будет протекать постоянное напряжение, сглаживая ток.

Рекомендуется: Как работает схема выпрямителя

В импульсном блоке питания есть 4 типа схем выпрямителя:

1 #

Импульсный мост переменного тока к постоянному току Мостовой выпрямитель

Обычно мы сначала находим схему выпрямителя. Входная сторона импульсного источника питания, как на схеме ниже.

Вход переменного тока в импульсное напряжение постоянного тока с использованием мостового выпрямителя.

Входное напряжение переменного тока 220 В RMS или 311 В пик выпрямляется до импульсного напряжения постоянного тока 160 В пик.Затем мы переходим к принципиальной схеме радиочастотного переключателя.

2 #

Полупериодный выпрямитель из РЧ-сигнала переменного тока

В импульсном источнике питания входной сигнал постоянного тока будет переключаться на высокочастотный РЧ-сигнал. Затем понижающий трансформатор преобразует его в переменный ток низкого напряжения. Затем он также поступает на полуволновой выпрямитель в импульс постоянного тока.

3 # Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводным трансформатором

Он разработан на основе однополупериодного выпрямителя. Мы часто будем видеть такой выпрямитель.И обратите внимание, что он использует центральный отвод вторичного трансформатора. Это ссылка на землю.

4 # Двухполупериодный мостовой выпрямитель из понижающего трансформатора

Этой схеме не нужен центральный трансформатор отвода, но нам нужно использовать еще 2 диода.

Выбор диодов для схемы выпрямителя

Есть 2 важных фактора:

Пиковое обратное напряжение – PIV

Это максимальное напряжение, которое выдерживает диод.Пока он получает обратный уклон. Или когда диод выключен.

Значение PIV используемого диода должно выдерживать как минимум 2-кратное рабочее напряжение. И при расчете безопасность тоже нужно увеличить на 50%.

При входном переменном напряжении 220 В среднеквадратичное пиковое напряжение составляет 1,414 x В среднеквадратического значения = 311 В пик.

Мы должны выбрать диод со значением:

Piv = (311Vpkx2) + (311Vpkx0,5)
= 777,5Vpiv

Forward Current-IF

Это ток, который диод пропускает через себя. при получении форвард без повреждений.И что еще более важно, не забудьте добавить значение безопасности 50%.

Например, входной выпрямитель с током 1А. Мы должны выбрать диод с током пересылки:
IF = 1+ (1 × 0,5) = 1,5A

Насколько важен фильтр

Напряжение с выпрямителя – постоянное. Но мы не можем его использовать. Нам нужно сгладить его конденсатором фильтра. Его необходимо использовать как в линейном, так и в импульсном блоке питания.

Конденсатор – это устройство, используемое для хранения энергии. Он заряжает энергию внутри себя, пока не достигнет максимального значения импульсного напряжения.И отпустит при загрузке.

Эффект фильтрации импульсного сигнала постоянного тока и ответный ток нагрузки

На изображении показан эффект фильтрации конденсатора в ритме зарядки и разрядки. При подключении к нагрузке. Пульсации напряжения на конденсаторе называются пульсациями.

• Имеется высокая пульсация. Если ток нагрузки высокий
• Напротив, пульсации низкие. Если это низкий ток нагрузки.

А если посмотреть на блок-схему работы.В цепи фильтра на переменное напряжение 50-60 Гц. Мы будем использовать конденсатор довольно большого размера.

Обычно в диапазоне от 1000 до 2000 мкФ. Это зависит от тока нагрузки.

Читать далее: Как спроектировать нерегулируемый источник питания

Увеличение его значения (параллельно) уменьшает время разрядки между импульсами, что также приводит к меньшим значениям пульсаций напряжения

Норма рабочего напряжения
Важно отметить, что нам необходимо использовать номинальное рабочее напряжение конденсатора, более высокое напряжение при рабочем токе составляет примерно 50%

Высокочастотный трансформатор

Трансформатор – это устройство, которое используется для преобразования высокого напряжения на первичной обмотке в низкое напряжение на вторичной обмотке, как показано на рисунке ниже.

RF Высокочастотные трансформаторы соединяют вход и выход.

Это форма соединения трансформатора между входом и выходом. Мы используем его импульсный источник питания для переключения на высоких частотах 20 кГц и более.

Обычно широко используемые трансформаторы 50 Гц не могут использоваться на высоких частотах.

Хотя размер и форма переключающих трансформаторов отличаются от трансформаторов 50 Гц. Но в работе по-прежнему используются те же основные принципы связи магнитного поля.

Это высокое напряжение, подключенное к первичной обмотке. И он будет накапливать энергию и создавать магнитные поля, чередующиеся между фазами включения и выключения.

Какой сердечник трансформатора действует как магнитное поле, наведенное на вторичную обмотку в виде соединительного трансформатора.

Что такое импульсный регулятор RF

Основой импульсного источника питания является RF-регулятор. Также известен как импульсный регулятор.

Импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией

Хотя существует множество различных схем переключения.Но обычно используется ШИМ-широтно-импульсная модуляция.

Это базовая блок-схема импульсного регулятора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Он поддерживает уровень напряжения с замкнутым контуром.

Для получения постоянного выходного напряжения. Эта схема обнаружит ошибку напряжения. Этот сигнал ошибки используется для управления шириной импульса схемы переключения. Это изменение ширины импульса в цепи генератора в регуляторе.

Ширина импульсов, изменяемых генератором, отправляется для управления транзистором, действующим как переключатель.В котором изменение ширины импульса вызывает соответствующее изменение среднего выходного напряжения.

Высокочастотные трансформаторы понижают напряжение в сигнал переменного тока, затем он выпрямляется и снова фильтруется.

Для конечного выхода постоянного напряжения. Результат снова будет рандомизирован. И отрегулирует последующий сигнал ошибки. До получения постоянного напряжения по мере необходимости.

Это означает, что схема будет работать в замкнутом контуре. Выходное напряжение постоянно контролируется до нормальной работы.

Теперь мы можем узнать основной принцип работы импульсного регулятора. Как это работает? Так, что дальше? Возможно, нам пора применить его.

Читайте также: Схема импульсного источника питания постоянного тока 0-45 В, 8 А

Гибридный импульсный регулятор Принцип работы

Не всегда необходимо использовать высокочастотный трансформатор для разработки импульсного источника питания.

Обычно трансформатор используется для изменения напряжения импульса с высокого напряжения на более низкое.

Если входное напряжение постоянного тока близко к фактическому рабочему напряжению. Высокочастотный трансформатор не нужен.

Мы можем использовать понижающий трансформатор напряжения 50 Гц, чтобы снизить напряжение до более низкого значения. Перед подачей его на вход выпрямительной схемы.

Посмотрите в схеме гибридного импульсного регулятора, вход схемы имеет характеристики, аналогичные характеристикам линейного источника питания. Но это повышает производительность.

Гибридный импульсный стабилизатор 5 В, 500 мА

Посмотрите на реальные примеры использования, гибридный импульсный регулятор 5 В, 500 мА.В схеме используется LM341 NS. Как правило, это трехконтактный стабилизатор положительного напряжения.

Не люблю читать текст. Но мне нравится изучать его работу по принципиальным и структурным схемам. Ты такой же, как я? Давайте посмотрим на схему. Мы еще разберемся.

Но это служит генератору. Частота генератора в цепи определяется соотношением сопротивлений R2 и R3.

Выходное напряжение возвращается через дроссель L1. Транзистор Q1 служит реальным переключающим устройством в схеме.

Ознакомьтесь также с этими связанными статьями:

Изучите обратный импульсный регулятор работает

Если вам нужен импульсный регулятор, который использует несколько компонентов. А вашей нагрузке требуется мощность менее 100 Вт.

Посмотрите на приведенную ниже блок-схему.

Это схема импульсного источника питания с обратным ходом.

В этой схеме очень важен высокочастотный трансформатор. Потому что он имеет 3 основные функции:

• Снижение напряжения.
• Разделите входную и выходную цепи.
• Ограничьте также линейный ток переменного тока.

В котором первичная и вторичная обмотки намотаны в противоположных направлениях.

При наличии импульсного сигнала управления смещением транзистор работает. Ток будет проходить через высокочастотный трансформатор. Но выходной выпрямитель не проводит ток.

Напротив, когда транзистор выключен. Первичное напряжение меняется на противоположное. И этот результат вызывает обратный ток, протекающий через выход выпрямителя и выход фильтра.Мы можем контролировать ширину импульса через трансформатор. Для поддержания постоянного выходного напряжения.

Обратный импульсный источник питания имеет ограниченную номинальную мощность 100 Вт. Из-за тока трансформатора. И ограничение на пиковое значение тока переключения транзистора.

Для приложений мощностью более 100 Вт. Мы будем использовать другие схемы импульсного регулятора. Это будет объяснено в следующей схеме.

Отобранные вручную связанные схемы, которые вы можете прочитать:

Схема прямого импульсного регулятора мощностью от 80 до 200 Вт

Посмотрите на прямой импульсный регулятор на блок-схеме ниже.Это высокая мощность от 80 Вт до 200 Вт. Мы можем улучшить пульсацию, чтобы уменьшить ее. Потому что мы используем схему мостового выпрямителя. У которого пульсация ниже, чем у однополупериодного выпрямителя импульсного регулятора обратного хода.

Кроме того, мы можем еще больше снизить пульсации, подключив дроссель дросселя последовательно с конденсаторным фильтром.

Когда транзистор работает (ВКЛ). Выход схемы будет проводить ток и иметь напряжение на себе.

А при остановке транзистора (ВЫКЛ).Ток перестанет течь в выходном выпрямителе. Напряжение на дросселе изменит полярность. И поставляет в нагрузку. Вот почему он снижает пульсацию.

Имеется небольшая разница в цепи импульсного управления регулятора прямого включения.

На практике необходимо изменить синхронизацию импульсов выхода, чтобы она соответствовала разным размерам выхода. Для наилучшего результата.

Вот несколько связанных сообщений, которые вы, возможно, захотите прочитать:

Двухтактный импульсный источник питания

Если вам нужна мощность более 200 Вт.Эта схема рассчитана на мощность до 600 Вт.

Посмотрите на блок-схему. Он состоит из 2-х регуляторов с широтно-импульсной модуляцией, работающих вместе для управления переключающим транзистором с каждой стороны.

Этот тип подключения цепи позволяет использовать больший ток.

Пульсации в двухтактной схеме переключения можно уменьшить. Обеспечивая балансировку схемы для каждой широтно-импульсной модуляции.

Обычно цепи двухтактной коммутации имеют наименьшую пульсацию.По сравнению с другими схемами импульсного питания.

И выпрямители, и схемы фильтрации импульсов импульсной модуляции одинаковы. С точкой получить ошибку напряжения на выходе такая же точка.

Заключение

Импульсный источник питания имеет недостаток – радиочастотный шумовой сигнал. Которая может распространяться и мешать работе других цепей. Если не хорошо экранирован.

Значения стабилизации и пульсации аналогичны линейным цепям.

Таким образом, импульсный источник питания подходит для приложений, требующих небольшого размера, высокой эффективности и низкого тепловыделения.

Кроме того, вот пара связанных сообщений, которые вы тоже должны прочитать:

Как работают импульсные источники питания? Исторический обзор революционных технологий электропитания ｜ Мир силовой электроники ｜ Журнал TDK Techno

Почему адаптеры переменного тока, основанные на линейном методе, тяжелые и громоздкие

Адаптер переменного тока, который преобразует коммерческий переменный ток в постоянный, является хорошим примером для изучения базовой технологии, лежащей в основе источников питания.В прошлом адаптеры переменного тока были тяжелыми и громоздкими предметами, но сегодня они намного легче и меньше, например, зарядное устройство для мобильного телефона. Это связано с тем, что метод переключения стал широко распространенным с начала 2000-х годов, заменив традиционный линейный метод.

Различия между линейным и коммутационным методами обсуждаются ниже, но сначала давайте посмотрим на простой обычный адаптер переменного тока – простой линейный источник питания без схемы стабилизации. Этот тип адаптера переменного тока отличается простой схемой и низкой стоимостью и используется в стационарных беспроводных телефонах, динамиках настольных компьютеров, электроинструментах и ​​т. Д.Хотя это трудно сказать по внешнему виду, большая часть его веса и объема приходится на силовой трансформатор внутри, состоящий из катушки, намотанной вокруг твердого железного сердечника. Силовой трансформатор преобразует напряжение 100 В переменного тока в более низкое напряжение переменного тока. Впоследствии переменный ток выпрямляется с помощью диодов – элементов, пропускающих ток в одном направлении, но блокирующих его в противоположном направлении.

Даже после выпрямления ток все еще пульсирует и далек от чистого постоянного тока, поэтому он дополнительно сглаживается сглаживающей схемой на основе конденсатора.Конденсатор хранит электрический заряд, фундаментальное свойство конденсатора. Схема выпрямления, показанная на рисунке ниже, является примером использования диодов в мостовой конфигурации (метод двухполупериодного выпрямления). Даже когда переменный ток меняет свое направление, ток, протекающий к конденсатору, всегда в одном и том же направлении, заряжая конденсатор. В пульсирующих токах ток и напряжение сильно колеблются циклически, и конденсатор соответственно разряжает накопленную энергию, чтобы подавить эти колебания.В сглаживающих цепях требуются конденсаторы большой емкости; поэтому обычно используются алюминиевые электролитические конденсаторы. Кроме того, дроссель иногда помещают последовательно с конденсатором, используя способность катушки препятствовать изменениям тока, тем самым дополнительно способствуя сглаживанию.

Стабилизированные источники питания постоянного тока критически важны для цифровых электронных устройств

Блок питания переменного / постоянного тока, например адаптер переменного тока, предназначен для получения постоянного тока от коммерческого источника переменного тока.Однако качество DC сильно различается. В простом адаптере переменного тока даже после того, как пульсирующий ток сглажен, рябь все еще остается в форме волны. Колебания напряжения на коммерческом входе переменного тока также могут дестабилизировать выходное напряжение постоянного тока. Эти недостатки могут не быть проблемой для таких задач, как зарядка аккумулятора, но могут привести к выходу из строя низковольтных микросхем, что потребует более равномерного и стабильного постоянного тока. Источник питания, снабженный для этой цели стабилизирующей схемой (регулятором), называется стабилизированным источником питания.

Стабилизированные источники питания в целом подразделяются на линейные и импульсные источники питания в зависимости от используемого метода. Линейные источники питания используются со времен электронных ламп. Принцип довольно прост: выходное напряжение регулируется путем включения в схему переменного резистора. Стабилитроны и трехконтактные ИС (также известные как трехконтактные стабилизаторы) являются примерами компонентов, которые функционируют как переменные резисторы.

Стабилитроны

также называют диодами постоянного напряжения.Обычные диоды используются в качестве выпрямительных элементов, позволяя току течь в одном направлении, но не в противоположном. Однако, если напряжение подается в обратном направлении и постоянно увеличивается, в конечном итоге будет достигнут порог, при котором диод внезапно начнет пропускать ток. Стабилитроны используют это явление, чтобы позволить току течь только выше определенного напряжения; тем самым его можно использовать для поддержания постоянного выходного напряжения.

Трехконтактная ИС – это компонент, который определяет разницу между напряжением, установленным стабилитроном (известным как опорное напряжение), и фактическим выходным напряжением, и стабилизирует напряжение, усиливая и корректируя его с помощью транзистора.Она называется «трехконтактной ИС», потому что вся схема построена на единой микросхеме и имеет три контакта: IN, OUT и GND (земля). Они широко используются в электронных устройствах из-за своего небольшого размера и простоты использования. Они действительно выделяют большое количество тепла, требуя радиаторов для отвода тепла, поэтому они не подходят для источников питания с большими требованиями к мощности. Однако из-за их простой схемы и низкого уровня шума они часто используются в измерительных приборах, медицинском оборудовании и высококачественном звуковом оборудовании.

Импульсные источники питания привели к уменьшению габаритов, весу и повышению эффективности.

Наконец-то мы подошли к объяснению импульсных источников питания. Один из самых распространенных импульсных источников питания – адаптер переменного тока мобильного телефона.Хотя его схема намного сложнее, чем схема элементарного адаптера переменного тока, упомянутого ранее, он исключительно компактен благодаря микросхемам, используемым в цепи стабилизации. Отсутствие большого и тяжелого силового трансформатора объясняет его небольшие размеры и вес.

Импульсные источники питания

воплощают в себе множество технологий, которые на протяжении всей истории лежали в основе силовой электроники. Примерно с 1960 года полупроводники (диоды, транзисторы и т. Д.) Начали заменять электронные лампы, но улучшение размеров и эффективности происходило медленно.Это было присуще линейным источникам питания, потому что радиаторы были необходимы для отвода тепла от транзисторов, а трансформаторы были тяжелыми и громоздкими.

В импульсных источниках питания

был использован совершенно другой подход к преодолению недостатков линейных источников питания. (Их разработка была стимулирована программой НАСА Apollo.) Ключевое различие между этими двумя методами состоит в том, что линейный источник питания преобразует коммерческое напряжение переменного тока с помощью трансформатора и впоследствии выпрямляет его; Импульсный источник питания сначала выпрямляет переменный ток в постоянный, а затем преобразует напряжение.После выпрямления тока напряжение больше не может быть преобразовано с помощью трансформатора. Вместо этого полупроводники (транзисторы и МОП-транзисторы) обеспечивают высокоскоростное переключение, которое преобразует выпрямленный ток в импульсную волну, которая затем подается на высокочастотный трансформатор, преобразующий напряжение. Это усложняет схему и требует большего количества компонентов, но в этом и заключается суть импульсного источника питания.

Существует несколько методов управления импульсными источниками питания, но наиболее распространен метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции).Ширина импульсов (время включения и выключения тока) регулируется таким образом, чтобы «площадь» каждого импульса (как показано на графике) нормализовалась для стабилизации напряжения. По эффективности этот метод намного превосходит линейный источник питания, который постоянно сбрасывает часть мощности в виде тепла в процессе стабилизации. Импульсный источник питания чрезвычайно эффективен, поскольку он формирует выходную мощность, как если бы он вырезал и вставлял форму волны, с очень небольшими потерями электроэнергии.

Размер трансформатора обратно пропорционален частоте, на которую он рассчитан. Частота коммерческого переменного тока составляет 50 или 60 Гц, поэтому трансформатор в линейном источнике питания неизбежно будет большим и тяжелым. С другой стороны, частота импульсной волны импульсного источника питания очень высока – от десятков до сотен килогерц – там, где достаточно гораздо меньшего и более легкого трансформатора. Однако на высоких частотах трансформаторы с железными сердечниками становятся непрактичными из-за чрезмерных потерь мощности.Здесь незаменим ферритовый сердечник. Например, повышение эффективности источников питания всего на 1% может иметь существенный эффект энергосбережения для общества в целом. Вот почему большие ожидания от ферритовых технологий TDK в области силовой электроники. Тем не менее, импульсные источники питания также имеют свои недостатки: в первую очередь, это генерация шума из-за высокоскоростного переключения. Традиционно источники питания долгое время представляли собой борьбу с теплом, а шум – дополнительная проблема.Это еще одна область, в которой в игру вступают технологии TDK.

Основы и принцип работы импульсного источника питания

Импульсные источники питания

(SMPS) используются в различных приложениях в качестве эффективных и действенных источников питания. Это большая часть их эффективности. Тем, кто все еще работает на настольном компьютере, поищите мощность вентилятора в центральных процессорах (ЦП).Вот где ИИП.

SMPS предлагает преимущества с точки зрения размера, веса, стоимости, эффективности и общей производительности. Они стали привычной частью электронных устройств. По сути, это устройство, в котором преобразование и регулирование энергии обеспечивается силовыми полупроводниками, которые постоянно «включаются» и «выключаются» с высокой частотой.

Различные виды

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Первичная мощность, получаемая от сети переменного тока, выпрямляется и фильтруется как высоковольтный постоянный ток.Затем он с огромной скоростью переключается и подается на первичную обмотку понижающего трансформатора. Понижающий трансформатор составляет лишь часть размера сопоставимого блока с частотой 50 Гц, что устраняет проблемы с размером и весом.

У нас есть отфильтрованный и выпрямленный выход на вторичной обмотке трансформатора. Теперь он отправляется на выход источника питания. Образец этого выходного сигнала отправляется обратно в переключатель для управления выходным напряжением.

Прямой преобразователь

В прямом преобразователе дроссель пропускает ток, когда транзистор является проводящим, а также когда нет.Диод пропускает ток во время периода выключения транзистора. Следовательно, энергия поступает в нагрузку в течение обоих периодов. Дроссель накапливает энергию во время включения, а также передает некоторую энергию выходной нагрузке.

Обратный преобразователь

В обратном преобразователе магнитное поле катушки индуктивности накапливает энергию в течение периода включения переключателя. Когда переключатель находится в разомкнутом состоянии, энергия разряжается в цепь выходного напряжения. Рабочий цикл определяет выходное напряжение.

Самоходный обратный преобразователь

Это наиболее простой и базовый преобразователь, основанный на принципе обратного хода. В течение времени проводимости переключающего транзистора ток через первичную обмотку трансформатора начинает линейно нарастать с крутизной, равной Vin / Lp.

Напряжение, индуцированное во вторичной обмотке и обмотке обратной связи, вызывает обратное смещение выпрямителя с быстрым восстановлением и удерживает токопроводящий транзистор включенным. Когда первичный ток достигает пикового значения Ip, когда сердечник начинает насыщаться, ток имеет тенденцию очень резко возрастать.Такое резкое повышение тока не может поддерживаться приводом с фиксированным основанием, обеспечиваемым обмоткой обратной связи. В результате переключение начинает выходить из насыщения.

Импульсный стабилизатор выполняет регулировку в SMPS. Последовательный переключающий элемент включает и выключает подачу тока на сглаживающий конденсатор. Напряжение на конденсаторе определяет время включения последовательного элемента. Постоянное переключение конденсатора поддерживает напряжение на необходимом уровне.

Основы дизайна

Электропитание переменного тока сначала проходит через предохранители и сетевой фильтр.Затем он выпрямляется двухполупериодным мостовым выпрямителем. Выпрямленное напряжение затем подается на предварительный регулятор коррекции коэффициента мощности (PFC), за которым следует преобразователь постоянного тока в постоянный ток.

В большинстве компьютеров и небольших устройств используется входной разъем типа Международной электротехнической комиссии (МЭК). Что касается выходных разъемов и распиновки, за исключением некоторых отраслей, таких как ПК и компактные PCI, в целом они не стандартизированы и оставляются на усмотрение производителя.

Почему SMPS

Как и любое электронное устройство, SMPS также включает в себя некоторые активные и некоторые пассивные компоненты.И, как и у каждого из этих гаджетов, у него есть свои преимущества и недостатки.

Давайте начнем с того, почему вам следует выбрать SMPS

• Переключение означает, что элемент последовательного регулятора включен или выключен. Очень высокий уровень эффективности достигается за счет того, что мы рассеиваем очень мало энергии в виде тепла.
• Благодаря высокой эффективности и низкому тепловыделению импульсные источники питания могут быть компактными.
Технология импульсных источников питания
• также обеспечивает высокоэффективное преобразование напряжения в приложениях с повышением или «повышением» и понижением или понижением напряжения.

Тогда есть плохой набор

• Переходные пики из-за действия переключения могут мигрировать в другие области схем, если они не отфильтрованы должным образом. Они могут вызывать электромагнитные или радиочастотные помехи, влияющие на другие расположенные поблизости электронные устройства, особенно если они принимают радиосигналы.
• Может быть немного сложно гарантировать, что SMPS работает в соответствии с требуемой спецификацией. Уровни пульсации и помех особенно сложны.
• Стоимость импульсного источника питания рассчитывается до его проектирования или использования.Дополнительная фильтрация еще больше увеличивает стоимость.

Видео ниже от Джейкоба Дикстры покажет вам один из них.

Что нас ждет в будущем?

В будущем мы могли бы иметь более эффективный SMPS, нацеленный на лучший преобразователь, обеспечивающий наиболее эффективный процесс преобразования. Основными направлениями для разработчиков при повышении эффективности SMPS будут:

• Более высокая выходная мощность
• Достижение более высокого выходного тока и низкого напряжения
• Увеличение удельной мощности
• Использование переключающего устройства, такого как диод Шоттки

SiC диод Шоттки, испытанный на рабочем диапазоне 300-600 В, может использоваться в качестве активного устройства вместо транзистора с высокой частотой переключения.Почему бы тебе не попробовать? В лаборатории. Может быть, под руководством специалиста…

---

Эта статья была впервые опубликована 25 августа 2017 г. и обновлена ​​29 апреля 2020 г.

Как работают схемы импульсного источника питания (SMPS)

SMPS – это аббревиатура от слова Switch Mode Power Supply. Название ясно предполагает, что концепция имеет какое-то или полностью отношение к импульсам или переключению используемых устройств. Давайте узнаем, как адаптеры SMPS работают для преобразования сетевого напряжения в более низкое постоянное напряжение.

Преимущество топологии SMPS

В адаптерах SMPS идея состоит в том, чтобы переключить входное напряжение сети на первичную обмотку трансформатора, чтобы на вторичной обмотке трансформатора можно было получить более низкое значение постоянного напряжения.

Однако вопрос в том, что то же самое можно сделать с обычным трансформатором, так зачем нужна такая сложная конфигурация, когда функционирование может быть просто реализовано через обычные трансформаторы?

Что ж, концепция была разработана именно для того, чтобы исключить использование тяжелых и громоздких трансформаторов с более эффективными версиями схем питания SMPS.

Хотя принцип работы очень похож, результаты сильно отличаются.

Наше сетевое напряжение также представляет собой пульсирующее напряжение или переменный ток, который обычно подается в обычный трансформатор для требуемых преобразований, но мы не можем сделать трансформатор меньше по размеру даже при токе всего 500 мА.

Причина этого – очень низкая частота наших сетевых входов переменного тока.
При 50 Гц или 60 Гц значение чрезвычайно низкое для реализации их на выходах с большим постоянным током с использованием трансформаторов меньшего размера.

Это связано с тем, что с уменьшением частоты потери на вихревые токи с намагниченностью трансформатора увеличиваются, что приводит к огромным потерям тока из-за тепла, и, следовательно, весь процесс становится очень неэффективным.

Для компенсации вышеуказанных потерь используются относительно большие сердечники трансформатора с соответствующей толщиной провода, что делает весь блок тяжелым и громоздким.

Импульсный источник питания решает эту проблему очень умно.

Если более низкая частота увеличивает потери на вихревые токи, это означает, что увеличение частоты приведет к обратному эффекту.

Это означает, что если частота увеличивается, трансформатор можно сделать намного меньше, но при этом он будет обеспечивать более высокий ток на их выходах.

Это именно то, что мы делаем со схемой SMPS. Давайте разберемся, как работают адаптеры SMPS.

Вышеупомянутый постоянный ток применяется к конфигурации генератора, состоящей из высоковольтного транзистора или МОП-транзистора, установленного на первичной обмотке небольшого ферритового трансформатора с хорошими размерами.

Схема становится автоколебательной конфигурацией, которая начинает колебаться с некоторой заранее определенной частотой, установленной другими пассивными компонентами, такими как конденсаторы и резисторы.

Частота обычно выше 50 кГц.

Эта частота индуцирует эквивалентное напряжение и ток на вторичной обмотке трансформатора, определяемые количеством витков и шириной SWG провода.

Из-за использования высоких частот потери на вихревые токи становятся пренебрежимо малыми, а выход постоянного тока с высоким током может быть получен через трансформаторы с ферритовым сердечником меньшего размера и относительно более тонкую проволочную обмотку.

Однако вторичное напряжение также будет на первичной частоте, поэтому оно снова выпрямляется и фильтруется с помощью диода быстрого восстановления и конденсатора высокой емкости.

Результатом на выходе является идеально отфильтрованный низкий постоянный ток, который можно эффективно использовать для управления любой электронной схемой.

В современных версиях ИИП на входе вместо транзисторов используются high-end микросхемы.
Микросхемы оснащены встроенным высоковольтным МОП-транзистором для поддержания высокочастотных колебаний и многими другими функциями защиты.

Что делают встроенные средства защиты SMPS?

Эти ИС имеют соответствующие встроенные схемы защиты, такие как защита от лавин, защита от перегрева и защита от перенапряжения на выходе, а также функцию импульсного режима.

Защита от лавин гарантирует, что ИС не будет повреждена при резком включении питания.

Защита от перегрева обеспечивает автоматическое отключение ИС, если трансформатор неправильно намотан, и потребляет больше тока от ИС, что делает ее опасно горячей.

Пакетный режим – интересная функция, включенная в современные блоки SMPS.

Здесь выходной постоянный ток возвращается на чувствительный вход ИС. Если по какой-то причине, обычно из-за неправильной вторичной обмотки или выбора резисторов, выходное напряжение поднимается выше определенного заранее определенного значения, IC отключает переключение входа и пропускает переключение в прерывистые всплески.

Это помогает контролировать напряжение на выходе, а также ток на выходе.

Эта функция также гарантирует, что если выходное напряжение настроено на некоторую высокую точку, а выход не загружен, IC переключается в пакетный режим, гарантируя, что устройство работает с перебоями до тех пор, пока выход не будет загружен надлежащим образом, это экономит энергию блок в режиме ожидания или когда выход не работает.

Обратная связь от выходной секции к ИС осуществляется через оптопару, так что выход остается в стороне от входной сети переменного тока высокого напряжения, избегая опасных ударов.

РУКОВОДСТВО ПО ПРИМЕНЕНИЮ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ SWITCHMODE

ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Как работают переключатели для управления большим количеством энергии эффективно:

Хорошо задокументированная эффективность, размер и вес штрафы, связанные с обычной частотой сети Трансформатор с приводом от переменного тока к источнику питания постоянного тока привел к необычайный набор высокочастотных альтернатив. Известные обычно как импульсные источники питания, SMPS, или переключатели, эти конструкции основаны на эффективность переключателя для управления большим количеством энергии с относительно небольшими потерями.

Переключатель на стене в гостиной работает во многом такая же мода. Когда он выключен, ток через него около нуля открытый зазор поддерживает полное напряжение Утилита для кормления вашего дома. Когда вы перевернете его ситуация меняется на противоположную. Напряжение на нем мало или отсутствует и ток течет беспрепятственно. В любом положении Сам переключатель рассеивает мало энергии. Есть ток но нет напряжения и нет напряжения, но нет тока.

Если вы изменили соотношение времени работы и времени бездействия на энергично манипулируя рычагом, вы сможете контролировать количество света (или что-то еще, что было подключено) без необходимости прилагать гораздо больше усилий, чем требуется для щелкнуть выключателем.Сам переключатель будет управлять довольно большое количество энергии с незначительным диссипация. Это совсем не похоже на линейную системы последовательного управления, в которых мощность преднамеренно рассеялись как средство контроля. Режим переключения блоки питания работают как настенный выключатель в вашем доме номер. Они используют некоторую форму широтно-импульсной модуляции, чтобы измените время включения относительно времени выключения для управления.

Конечно, учитывая ограничения частоты и скорость устройств, используемых для коммутации (сейчас в основном силовые полевые транзисторы) доступен ограниченный динамический диапазон.Коэффициент кратчайшего импульса (ограниченный скоростью включения и выключения переключателя) и самый длинный импульс (ограничено частотой работы) определяет доступный динамический диапазон управления. Этот динамичный диапазон используется для компенсации выхода по сети вариации, вариации нагрузки и ограниченное количество настройка управления. Импульсные источники питания в целом не хватает большого динамического диапазона, который сделал бы программирование дело практическое. Коммутаторы обычно используются для фиксированных выход или ограниченный диапазон регулировки выходных конструкций.

Высокая частота работы способствует небольшому размеру конструкций импульсных источников питания. Современные единицы обычно работают в диапазоне 100–300 кГц.

С внедрением КИПиА источники питания, такие как ABC и BOP High Power серии, Kepco преодолела это присущее преобразование режима переключения для получения истинного обнуления (до максимум) управляемый переключатель. Это позволяет Kepco производить программируемые выходы постоянного тока в чистом переключателе- режим топологии.Программируемые модели RKW, хотя и не источники питания для КИПиА, также предлагаем обнуление импульсного источника питания.

Использование силовых полевых транзисторов с быстрым включением и выключением характеристики сделали переключатели, которые работают комфортно на частотах выше 100 кГц практично. За этим, Фактический выбор рабочей частоты обусловлен учет генерации шума (EMI), вопросы безопасности и компромисс между размером и эффективностью. Большинство из конструкции в этом каталоге используют одну из двух топологий, прямые преобразователи или обратные цепи, работающие на фиксированная тактовая частота.

Прямые преобразователи используются на средней и большой мощности. Приложения. Их можно узнать по отдельным силовой трансформатор и выходной дроссель. Обратные переходы предпочтительны для приложений с низким энергопотреблением, поскольку в них используются трансформатор, который служит выходным дросселем, таким образом экономия на одном крупном и дорогом компоненте.

ВИДЫ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Прямые преобразователи используются на средней и большой мощности. Приложения. Их можно узнать по отдельным силовой трансформатор и выходной дроссель.Обратные переходы предпочтительны для приложений с низким энергопотреблением, поскольку в них используются трансформатор, который служит выходным дросселем, таким образом экономия на одном крупном и дорогом компоненте.

ТРАНСФОРМАТОР УПРАВЛЯЮЩИЙ

Источникам питания необходим трансформатор для обеспечения изоляции и сдвинуть уровень с напряжения электросети (115V a-c -230V a-c) до уровней, используемых современной логикой и связанные с ними схемы (обычно от 5 до 48 вольт).

Функция переключателя, помимо обеспечения возможность модуляции (управления), заключается в преобразовании d-c в прямоугольный вид переменного тока.

Прямоугольная волна необходима для встречи двух мощных основные цели поставки, указанные на стр. 141: возможность переключения выхода на другой уровень напряжения чем вход и обеспечить изоляцию. Трансформеры предоставить эту функцию. В линейных источниках питания трансформатор работает на частоте сети и является самая тяжелая и большая часть агрегата. В режиме переключения В конструкции выключатель рассчитан на работу на высоких частотах. Трансформаторы на 100 + кГц могут составлять небольшую часть размер их аналогов по частоте сети.

Дизайн, который выполняет все это, является композитным. Передний end – выпрямитель-фильтр, преобразующий низкочастотные от a-c до d-c. Работая от сети Северной Америки, это схема функционирует как удвоитель. Работает в Европе Сеть 230-250 вольт, он работает как простой выпрямитель. Результирующий постоянный ток составляет около 300-350 вольт. Быстрый переключатель обрезает это, чтобы он мог проходить через высокую частоту трансформатор должен быть повторно выпрямлен и отфильтрован на вторичный, чтобы стать выходом.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ФИЛЬТР ВЫПР.

Входной выпрямитель-удвоитель и фильтр называется выключенным. линейная цепь, то есть работает непосредственно от линии (сеть).Эта автономная схема является источником ряда проблемы, которые должны быть решены переключением режима источники питания.

У сошников небольшое сопротивление между фильтрами. конденсатор, который хранит высокое напряжение постоянного тока для переключателя и электросети, мало чтобы препятствовать скачку ток в этот конденсатор. Чтобы держать это под контролем, Требуются схемы ограничения перенапряжения. В агрегатах малой мощности это может быть термистор, сопротивление которого высокий, когда холодно, и низкий, когда курица горячий.В средней мощности конструкции, резистор включается на пуск и снимается как только входной конденсатор заряжен. В большой мощности В конструкциях предусмотрен своего рода плавный пуск с использованием тиристоров для увеличить напряжение.

Еще одна проблема – это само высокое напряжение, которое находится в диапазон 300-350 вольт. Это должно быть хорошо изолировано от выхода низкого уровня (5 В), если пользователи должны подключить его к их дорогая логика без трепета.

Третья проблема заключается в том, что ток поступает через конденсаторный входной фильтр.Этот производит как высокие пиковые токи, так и отражает гармонические искажение обратно в сеть. Это проблема в совокупности известный как низкий коэффициент мощности. Фактор силы Коррекция (PFC) используется для решения этой проблемы. Пожалуйста, посмотрите обсуждение коэффициента мощности.

Высокое напряжение, создаваемое при прямом подключении к сети переменного тока. исправление в автономных конструкциях дает уникальное преимущество это является второстепенным для процесса, но тем не менее вполне ценный. Энергия хранится в конденсаторах как 1/2 CV ² .

Это означает, что энергия пропорциональна квадрату напряжения и напряжения, как мы уже видели, довольно высока. Таким образом, энергия, запасенная на входе, выключена. линейный конденсатор огромен, его действительно достаточно, чтобы выдержать работа всего блока питания в течение некоторого времени при отключении сети. Когда время превышает полный цикл (20 миллисекунд при 50 Гц) сквозной результаты возможностей. Блок питания будет работать непрерывно из-за потери части или всего цикла.

Основное преимущество этого – возможность предоставить какое-то предупреждение для нагрузки о том, что сбой в электросети вот-вот происходить. Это предупреждение может быть выдано, если есть возможность распознавать и подавать логический сигнал, когда сеть провалился. Поскольку источник питания будет продолжать работать в течение некоторого времени на накопленной энергии своего офф-лайн конденсатора, это предупреждение можно использовать для обеспечения упорядоченного отключение нагрузки.

Разнообразие сетей переменного тока, с которыми сталкиваются источники питания: логистическая головная боль, а иногда и проблема безопасности…нет упомянуть усложняющий фактор в первоначальном дизайне. Не так давно блоки питания выпускались в двух разновидности: модели на 115 вольт для Северной Америки рынок и модели 230-250 вольт для Европы. Япония, с его 100-вольтная сеть подключалась либо к низкому отводу на подключении 115 В переменного тока или путем расширения входа диапазон до 85 В переменного тока.

Как мы видели, в этих конструкциях используется входная цепь, действует как удвоитель в режиме 115 вольт и как мостовой выпрямитель в режиме 230 вольт.Просто перемычка выбирает между ними. Хотя это упростило логистическая проблема, это действительно привело к потенциальной безопасности

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИЛИ ШИРОКИЙ ДИАПАЗОН ВХОДА

Разнообразие сетей переменного тока, с которыми сталкиваются источники питания: логистическая головная боль, а иногда и проблема безопасности … не упомянуть усложняющий фактор в первоначальном дизайне. Не так давно блоки питания выпускались в двух разновидности: модели на 115 вольт для Северной Америки рынок и модели 230-250 вольт для Европы.Япония, с его 100-вольтная сеть подключалась либо к низкому отводу на подключении 115 В переменного тока или путем расширения входа диапазон до 85 В переменного тока.

Как мы видели, в этих конструкциях используется входная цепь, действует как удвоитель в режиме 115 вольт и как мостовой выпрямитель в режиме 230 вольт. Просто перемычка выбирает между ними. Хотя это упростило логистическая проблема, это действительно привело к потенциальной безопасности проблема … подбор неправильного входного напряжения. Если единица комплект на 115 вольт подключается к 230 вольт, поломка обычно Результаты.Кроме того, селектор, хотя и простой, все же стоит что-то и так возник спрос на блоки питания, которые будет работать с любого входа a-c без вмешательства пользователя. В переключателях обратного хода малой мощности это может быть достигается простым использованием большей ширины импульса динамический диапазон модулятора для аккомодации входа и измеряя все входные данные для крайностей. В конденсатор должен был быть рассчитан на высокое конечное напряжение, в то время как выпрямители должны были быть рассчитаны на низкий конечный ток. Конструкции Kepco MRW, KRW и FAW являются примерами этого.

Этот подход был очень успешным примерно до 150 Вт. Помимо этого уровня мощности, широкий диапазон входного сигнала достигается как результат работы при коэффициенте мощности исправление. Конструкции PFC теперь превышают 1,5 кВт, поэтому Широкодиапазонный вход доступен и на этих уровнях мощности. Конструкции Kepco HSP, RKW и HSM являются примерами. этого.

Три модели HSP показаны в корпусе RA 60

Конструкция MST Kepco – это продукт мощностью 200 Вт с широким диапазон входа a-c, который достигается за счет использования передней панели PFC конец.MST – это гибрид в том смысле, что это переключатель, имеющий линейный пострегулятор, чтобы его можно было программировать 0–100 процентов от диапазона вывода. MST в цифровом виде управляемые подключаемые блоки питания, которые можно комбинировать в группах до 1800 Вт.

Дизайн Kepco ABC – это продукт мощностью 100 Вт с широким диапазон входа a-c, который также достигается за счет использования PFC внешний интерфейс. В отличие от MST, дизайн ABC функционирует как Переключатель с контролем нуля, который может быть настроен на любой напряжение от 0 до максимального номинального.ABC скамейки- блоки питания стиля с клавиатурой / управлением GPIB.

Противовыбросовые превенторы Kepco High Power мощностью 1000 Вт, 4-квадрантные продукты с двунаправленным током PFC, который позволяет это для рекуперации энергии, полученной от активной нагрузки.

Часть 1: Импульсный источник питания

Благодаря своим многочисленным преимуществам импульсные источники питания (SMPS) эффективно заменили линейные источники питания.

Модель «Т» Ford использовала импульсный источник питания в качестве источника зажигания.«Катушка дрожания» притягивала якорь, вызывая размыкание контактов переключателя и отключение магнита. Коллапсирующее поле вызвало искру на «свече зажигания», которая воспламенила смесь топлива и воздуха в цилиндре. Однако основа тремблерной катушки восходит к 1836 году. Маркони даже использовал переключаемую катушку для создания своей «беспроводной телеграфии»… но вы можете найти это сами.

В 1960-х годах космическая гонка между США и Россией требовала меньших и более эффективных источников питания и преобразования мощности, что, скорее всего, стало поворотным моментом для перехода от линейных источников питания к импульсным источникам питания.

Космическая гонка считается одним из величайших стимулов для улучшения источников питания, поскольку все на космическом корабле должно быть поднято и разогнано до очень высокой скорости, чтобы покинуть Землю. Батареи тяжелые, поэтому уменьшение веса батареи быстро снижает энергию, необходимую для запуска транспортного средства. Фактически, вся «цифровая революция» была вызвана необходимостью миниатюризации, и SMPS, вероятно, был первым шагом в этом процессе.

Хотя линейные источники питания (LPS) просты, относительно дешевы и легки в сборке, у них есть один существенный недостаток – они, как правило, большие и тяжелые.Вторая проблема возникает, когда требуется небольшой выход от входа высокого напряжения. Линейное регулирование напряжения расточительно; например, источник питания 3,3 В для небольшого микроконтроллера, работающего от источника питания 12 В, приведет к потере 72,5% общей потребляемой энергии.

Тем не менее, еще больший стимул проявляется, когда требуется, чтобы выходное напряжение было выше входного. Линейные источники питания не могут генерировать более высокое напряжение, а в большинстве схем не могут даже соответствовать входному напряжению.

Причина проблемы эффективности линейного источника питания заключается в том, что он имеет последовательный элемент – обычно транзистор или подобное полупроводниковое устройство – действующий в линейном режиме как резистор, чтобы сжечь избыточное напряжение и, следовательно, энергию.

Линейные блоки питания

, работающие от сети, имеют еще один недостаток, который нельзя легко изменить. Блок питания работает с частотой 50 Гц или немного быстрее в системе США 60 Гц. Трансформаторы, работающие от сети, должны быть рассчитаны на работу при частоте 50 Гц

Используя старую формулу моего ученичества, почти 50 лет назад, Wt = 3VA / f, что означает, что вес железного сердечника трансформатора, использующего обычную конструкцию EI, равную трехкратной максимальной мощности. , рассчитывается как максимальное напряжение и максимальный ток, разделенные на частоту сети.

Следовательно, для источника питания на 12 В и 20 А потребуется 3 x 12 x 20/50 = ~ 14,5 фунтов или 6,5 кг только железа, и, вероятно, то же самое для медных обмоток.

Хороший пример эффекта от перехода на SMPS может быть сделан, если вы когда-либо перемещали старый сварочный аппарат, который был большим куском трансформатора, по сравнению с современным сварочным аппаратом, который в основном состоит из электроники

Вместо резистивного последовательного элемента в SMPS используется переключатель, что очевидно из его названия! Если последовательный элемент просто заменить более быстрым и эффективным переключателем, большая часть исходной схемы регулятора все еще может использоваться.На рисунке 2 показана схема, основанная на переключающем элементе, а не на резистивном элементе.

Примечание. Мы немного поумнели. Общая схема такая же, но разница заключается в том, как мы управляем переключающим элементом. Схема контроллера показана только в виде блока, но основное различие заключается в том, как мы управляем последовательным элементом (то есть транзистором). Мы поговорим об этом позже; а пока давайте рассмотрим, что он делает в основном смысле. Он включает и выключает переключающий элемент, а переключаемое питание должно сглаживаться конденсатором, чтобы переключение не влияло на нагрузку.

Вы, возможно, помните из «Классной комнаты» в выпуске 8, где мы подробно описали LPS, что размер сглаживающего конденсатора рассчитывается из C = IT / V, где I – ток нагрузки, T – время зарядки конденсатора и V – пульсирующее напряжение.

Работая с нагрузкой 1 А, в основном для сравнения с нашим предыдущим линейным источником питания, и запрашивая очень низкую составляющую пульсаций 0,1 В, давайте начнем вычислять для частоты переключения 50 Гц:

C = 1A x 10E-3s / 0,1 В = 100E-3F или 100000 мкФ

Это проблема! К счастью, размер конденсатора уменьшается с увеличением скорости переключения.Вот почему SMPS считались «шумными», когда они впервые стали обычным явлением, до того, как они были должным образом спроектированы и отфильтрованы.

Итак, вместо 50 Гц, давайте попробуем 50 кГц и ожидаем, что конденсатор будет в 1000 раз меньше. Все остальные значения, конечно же, остаются неизменными:

C = 1A x 10E-6s / 0,1V = 100E-6F или 100 мкФ

Итак, ваша первая экономия – в емкости конденсатора, а, следовательно, в размере и весе, за счет уменьшения общего размера и веса источника питания.

Пуристы узнают углы, которые я срезал, но масштаб эффекта тот же:

В 1000 раз больше частоты уменьшается емкость конденсатора на 1000.

Вы можете понять, что с увеличением частоты катушки индуктивности также становятся пригодными для использования в качестве сглаживающего фильтра. Даже на низких частотах индукторы работают для сглаживания тока в нагрузке, но, к сожалению, требуемый размер часто слишком велик, чтобы его можно было выбрать.

Сглаживающие индукторы

SMPS также возможны благодаря материалу сердечника. Например, феррит при использовании имеет очень низкие потери по сравнению с железными сердечниками.

Помните, что конденсаторы лучше всего работают для сглаживания напряжения, а катушки индуктивности лучше всего работают для сглаживания тока.

Коммутационный элемент не расходует мощность намеренно, как последовательный элемент, но у него все еще есть ограничения, большинство из которых были значительно улучшены с момента первого использования SMPS. Вместо BJT (биполярных транзисторов) – исходных устройств – MOSFET (металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы) в настоящее время являются наиболее часто используемым устройством, наряду с IGFET (полевыми транзисторами с изолированным затвором) и некоторыми менее распространенными устройствами.

Используя механический переключатель, чтобы показать области потерь, рассмотрите рисунок 3 и форму сигнала переключения.

3

ОТКРЫТЫЙ ЦЕПЬ (Toff)

Для начала, когда переключатель находится в выключенном положении, ток утечки может быть незаметен, но возможна некоторая утечка. Почти во всех случаях утечка незначительна, пока напряжение ниже напряжения дугового перенапряжения. При превышении дуговой разрядки переключатель становится либо плавким предохранителем, либо перемычкой, в зависимости от его конструкции (или разрушения!).

В источниках питания DC искрение трудно остановить, и выходное напряжение может быть максимальным, пока не сработает защита цепи.

И BJT, и MOSFET могут иметь высокое номинальное напряжение, но в последнее время MOSFET имеют преимущество по напряжению, току и частоте

ВКЛЮЧИТЬ (сын)

Теперь посмотрите на период включения переключателя (Сын). Для механического переключателя не должно быть задержки, но может быть некоторый дребезг переключателя, который может вызвать несколько всплесков до того, как цепь полностью включится.

Для BJT или MOSFET существует период, в течение которого напряжение на устройстве падает от значения разомкнутой цепи до значения замкнутой цепи, а ток увеличивается от нуля до тока нагрузки.Предполагая, что оба они линейны, потери мощности можно рассчитать по следующей формуле, так как средние значения будут составлять половину максимальных значений:

P = (V _ce x I _{нагрузка} ) / 2 или (V _DS x I _v ) / 2

На самом деле они оцениваются только как линейные, но вычисленное значение полезно для оценки коммутационных потерь сопоставимых устройств.

Потери энергии также зависят от времени переключения, при этом меньшее время переключения приводит к меньшим затратам энергии.Меньшее количество переключений также снижает потери переключения, но увеличивает размер и вес накопительной емкости, что является компромиссом.

BJT быстрее для устройств меньшего размера, но MOSFET становятся быстрее по мере увеличения допустимой нагрузки. Это приводит к спорам о преимуществах различных технологий в скорости. IGFET – это, по сути, BJT, управляемый MOSFET, в конфигурации, аналогичной транзистору Дарлингтона.

ЗАМКНУТЫЙ ЦЕПЬ (Тонна)

Цепь остается включенной некоторое время, пока конденсатор заряжен.

Примечание: Позже мы также будем работать с индукторами. Во время «включения», когда цепь замкнута, возникают потери энергии из-за падения напряжения на переключающем элементе и тока нагрузки, поэтому: P = VI.

Поскольку ток нагрузки неизбежен, переключающие элементы с более низким «напряжением включения» будут производить наименьшие потери. Поэтому, особенно по мере увеличения тока нагрузки, разработчиков будут привлекать BJT с наименьшим Vce (напряжение) и MOSFET-транзисторы с наименьшим Rds (сопротивление).

ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ (Soff)

При выключении возникают те же проблемы, что и при включении. Биполярным транзисторам требуется время для рассеивания заряда перехода, а МОП-транзисторам требуется время для разряда емкости изолированного слоя. Из этих двух транзисторов BJT требуется гораздо больший ток для включения или выключения, опять же, особенно при более высоких токах нагрузки.

Биполярные транзисторы

управляются током, поэтому для того, чтобы оставаться включенным, требуется, чтобы ток протекал. Этот ток может составлять значительную часть тока нагрузки с более крупными BJT, имеющими бета всего 5.Следовательно, схема управления для более мощных источников питания может использовать последовательность из нескольких ступеней управления, все из которых должны включаться и выключаться последовательно, увеличивая время, необходимое для включения или выключения.

Напряжение база-эмиттер BJT составляет около 0,7 В, но оно может быть больше по мере увеличения тока базы, поскольку ток базы связан с током нагрузки. Он также может составлять значительную его часть, а это означает, что потери на переходе BE могут быть значительными. Все потери приводят к выделению тепла и потребностям охлаждения.

Полевые МОП-транзисторы

управляются напряжением, и хотя более крупные устройства могут иметь значительную емкость затвора, полевые МОП-транзисторы часто могут управляться напрямую от простого драйвера, хотя драйвером обычно должно быть устройство с напряжением 10 В или выше.

Могут быть доступны полевые МОП-транзисторы с логическим уровнем

, но их включение и выключение может происходить медленнее.

При всех вышеупомянутых потерях будет выделяться тепло, которое должно рассеиваться. Тепловые и электрические цепи можно рассматривать как очень похожие. Тепло течет от более высокой температуры к более низкой температуре, точно так же, как ток течет от более высокого напряжения к более низкому напряжению.Термическое сопротивление похоже на электрическое сопротивление. Тепло проходит легче в материалах с лучшей проводимостью, а алюминий или медь также являются отличными проводниками тепла.

Однако это означает, что большая потеря энергии на самом деле означает большее тепловыделение, что требует больших алюминиевых радиаторов или воздушного потока для отвода тепла от источника питания. Конечно, для линейных источников питания требуются радиаторы еще большего размера, но цель состоит в том, чтобы по возможности не иметь радиатора, а для отвода тепла использовать внешнюю вентиляцию.Фактически, все потери энергии должны быть сведены к минимуму, чтобы сократить количество технологий, необходимых для обработки выделяемого тепла.

Тепло течет от корпуса транзистора через изолятор, корпус радиатора и ребра в воздух. Тепло также течет напрямую от корпуса к воздуху, что эквивалентно заземлению в электрическом.

Последнее слово о IGFET от кого-то с небольшим опытом работы с ними: IGFET склонны к отказу «горячих точек» при более медленных скоростях переключения.Они более сложны, чем технологии BJT или MOSFET, из которых они сделаны, и, по крайней мере, мне кажется, намного сложнее проектировать. Они также могут быть дорогими и чувствительными к статическому электричеству.

Соединения цепей иногда делятся на группы, называемые «топологиями». Усилители BJT, например, подразделяются на схемы с «общим эмиттером», «общим коллектором» и «общей базой», также возможны умножители напряжения.

Примечание: на данном этапе мы не собираемся разрабатывать какие-либо значения.

До сих пор мы рассматривали простейший SMPS – схему ШИМ (широтно-импульсной модуляции); хотя мы просто включали и выключали питание нагрузки, не регулируя выходное напряжение с помощью регулятора.

Что мы могли бы сделать для переменного напряжения, но нерегулируемого источника питания постоянного тока, такого как вы могли бы использовать для управления небольшим двигателем, – это использовать интегральную схему 555 или Arduino / Pi / PIC для создания квадрата ШИМ. волна и включает и выключает BJT.

Двигатель – это нагрузка, подключенная к коллектору.Изменение ширины импульса приведет к изменению соотношения «метка / пробел», процента времени «включено» и «выключено», таким образом контролируя, какой ток течет в двигателе, и тем самым регулируя скорость.

Примечание: не требуется сглаживающий конденсатор или индуктор, так как сам двигатель действует как индуктор. Однако это представляет собой другую проблему и напоминание для тех, кто использует двигатели на своих Arduino, и тому подобное: двигатели генерируют всплески, и поэтому цепь должна быть защищена путем добавления диода обратного хода на клеммы двигателя, а также одного или нескольких конденсаторы примерно 1 мкФ , чтобы избежать возникновения EMI .Возможный регулятор скорости см. В следующей схеме.

В «понижающем» ИИП используются переключатель и катушка индуктивности, включенные последовательно с нагрузкой, как показано на следующем рисунке. Конденсатор обычно используется поперек нагрузки, поскольку емкость заряжается и пытается поддерживать напряжение даже при отсутствии нагрузки. Это необходимо, поскольку индуктор, являющийся токовым устройством, не может сглаживать напряжение, поэтому напряжение будет колебаться с частотой переключения без какой-либо нагрузки.

В некоторых конструкциях требуется минимальный ток нагрузки для регулирования, поэтому на клеммах может потребоваться резистор для обеспечения этой минимальной нагрузки.

Диод защищает переключающий элемент, но также позволяет продолжать ток при разомкнутом переключателе. Если вы знаете об индукторах, то помните, что ток идет после напряжения. Само по себе это долгая дискуссия, но электриков, возможно, научили мнемонике «ГРАЖДАНСКИЙ», что означает:

Емкость-ток (I) -напряжение-ток (I) -индуктивность.

Мнемоника означает, что конденсаторам необходим ток перед изменением напряжения, но ток катушки индуктивности изменяется после изменения напряжения.Поэтому, когда наша катушка индуктивности включается последовательным переключателем, ток начинает нарастать до максимального значения, контролируемого нагрузкой и временем.

В какой-то момент выключатель выключается, но ток продолжается, поскольку магнитное поле схлопывается. Если бы не было диода, поле немедленно схлопнулось бы, создав очень высокое напряжение. Таким образом, диод выполняет две очень необходимые задачи: он поддерживает ток, когда переключатель выключен, и предотвращает скачки напряжения.

Пока нагрузка не слишком велика, ток не только будет продолжаться, но и будет относительно стабильным, за исключением некоторой пульсации тока, подобной пульсации напряжения, о которой вы узнали в Выпуске 8.

Выходной сглаживающий конденсатор помогает уменьшить пульсации напряжения на нагрузке, а также сглаживает ток. Если конденсатор и катушка индуктивности согласованы с хорошей конструкцией, напряжение нагрузки будет иметь очень низкую пульсацию.

Понижающая топология – это очень распространенная форма SMPS с небольшим количеством компонентов и простой работой, по крайней мере, для компонентов питания.

В «повышающем» преобразователе используются одни и те же базовые компоненты, без сомнения, с разными значениями, требующими отдельной конструкции, но в другом наборе соединений; (я.е., другая «топология») см. схему ниже.

При использовании топологии «форс» при выключенном выключателе нагрузка должна иметь примерно такое же напряжение, как и питание. Катушка индуктивности будет иметь некоторое сопротивление, и диод потеряет около 0,7 В. Если используется регулируемое управление, этими значениями часто можно пренебречь, если только схема не работает вблизи своих пределов.

Конденсаторы C2 и C3 будут заряжаться до напряжения питания и останутся таковыми, если бы переключатель не использовался.Однако, когда переключатель замкнут (т. Е. Транзистор включается схемой контроллера), конденсатор подает на нагрузку весь ток нагрузки.

Напряжение на катушке индуктивности будет полным питающим напряжением, и ток будет увеличиваться до максимального значения, которое в цепи постоянного тока ограничивается только последовательным сопротивлением внутри катушки индуктивности и ограничением тока из-за зарядки магнитного поля. Следовательно, если переключатель закорочен, индуктор, скорее всего, также сгорит, поскольку последовательное сопротивление, по замыслу, остается низким.

Когда переключатель размыкается, ток от катушки индуктивности (т. Е. Катушки) течет к нагрузке и конденсатору. Напряжение на катушке повысит напряжение на конденсаторах C2 и C3, а также на нагрузке. Если переключение происходит достаточно быстро и ток нагрузки достаточно низкий (оба фактора участвуют в процессе проектирования), то напряжение на нагрузке останется на уровне выше напряжения питания.

Фактически, катушка индуктивности и конденсатор включены последовательно с напряжением питания, и если предположить, что напряжение питания является постоянным и, следовательно, не изменяется, то согласно законам Кирхгофа оставшиеся напряжения должны «складываться» с напряжением питания.

Ток в источнике питания и в катушке индуктивности течет в одном направлении, поэтому в сумме напряжения равны напряжению на конденсаторах C2 и C3.

Повышающая топология – это очень распространенная форма SMPS, используемая для генерации напряжения выше напряжения питания.

Понижающий-повышающий преобразователь обычно ошибочно принимают за то, что он означает, что выходное напряжение будет выше или ниже напряжения питания. Проще говоря, это так, но выход имеет отрицательную полярность, о чем вы должны помнить, если вы не хотите построить идеально хорошую повышающую цепь с неправильной полярностью!

На диаграмме показано, что, хотя используются те же компоненты, используются еще не учтенные значения.

Это наша третья топология, поэтому вы можете заметить как сходства, так и различия с двумя предыдущими топологиями.

На этот раз нам нужно начать с включенным переключателем. Ток будет течь в катушку индуктивности, при этом напряжение будет увеличиваться до максимального значения. В этот момент на нагрузке или конденсаторе не будет напряжения из-за смещения диода в обратном направлении.

Когда переключатель выключается, ток в катушке индуктивности пытается продолжить, протекая через конденсатор и диод.Отметив полярность как диода, так и конденсатора, вы увидите, что напряжение на конденсаторе будет отрицательным (т. Е. «Земля» источника питания подключена к положительному выводу конденсатора, а отрицательный вывод конденсатора – к отрицательному. прикреплен к верхней части груза). Следовательно, напряжение на нагрузке будет отрицательным по отношению к земле.

Поскольку напряжение на конденсаторе получается исключительно за счет разряда катушки индуктивности, значение напряжения может быть почти любым значением выше или ниже напряжения питания.Самое главное, нужно помнить, что эта схема генерирует напряжение, противоположное напряжению питания.

Повышающая топология – это реже используемая форма SMPS для генерации отрицательного напряжения выше или ниже напряжения питания.

Это три наиболее распространенные топологии, но, что более важно, самые простые и легкие в использовании. Мы имели дело только с назначением компонентов и общими топологиями, но есть еще много топологий и, без сомнения, еще больше предстоит разработать в будущем.

Чтобы понять эти схемы, а также проанализировать или спроектировать их, изготовителю требуется понимание емкости и индуктивности как устройства накопления энергии.

Значение индуктивности можно рассчитать, как и в предыдущих статьях, и соответствующее значение индуктивности можно купить, если вы найдете поставщика, но сердечник, частота применения, витки медного провода и Прежде чем выбрать подходящую конструкцию только для индуктора, необходимо принять во внимание толщину провода.

К счастью, у большинства производителей специализированных микросхем контроллеров есть инструкции по применению, которым должны следовать инженеры. Однако преимущество линейного источника питания заключается в простоте!

Без разработки источников питания Switchmode ваше скромное зарядное устройство для телефона было бы примерно в 10 раз тяжелее, во много раз больше и, вероятно, дороже.

Разница между линейным источником питания и импульсным источником питания – Блог – Power & Energy

Существует два основных типа источников питания постоянного тока: линейные и импульсные.В обеих конструкциях используются разные методы для достижения одного и того же результата: преобразование мощности переменного тока в мощность постоянного тока. В зависимости от области применения каждый тип источника питания обладает рядом преимуществ. В этой статье мы кратко рассмотрим разницу между линейными и импульсными источниками питания.

Линейный источник питания

Большой трансформатор (в соответствии с потребностями в питании) используется в линейном источнике питания для понижения напряжения от линии переменного тока до более низкого переменного напряжения. Чистое постоянное напряжение впоследствии вырабатывается схемой выпрямителя и процессом фильтрации.Эти блоки питания разработаны с учетом чрезвычайно низкого уровня шума из-за отсутствия высокочастотных переключений.

Линейный источник питания имеет несколько недостатков: сток, являющийся неотъемлемой частью регулятора напряжения, увеличивает размер источника питания. Регулятор напряжения рассеивает мощность, что приводит к омическим потерям с последующим повышением температуры. Рассеивание из-за переменного резистора снижает эффективность линейного источника питания. Они используются там, где требуется низкая пульсация, низкое электромагнитное излучение и отличное регулирование.Поскольку размер трансформатора косвенно пропорционален рабочей частоте, этот тип блока питания занимает большую площадь и является тяжелым.

Импульсный источник питания (SMPS)

Импульсные источники питания (сокращенно SMPS) имеют небольшие размеры и чрезвычайно эффективны. Включен импульсный регулятор для лучшего преобразования электроэнергии.

SMPS используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для регулирования выходного напряжения.ШИМ допускает использование нескольких топологий, таких как прямой преобразователь, обратный преобразователь, понижающий, повышающий или полумостовой выпрямитель, в зависимости от потребности в выходной мощности. Процесс ШИМ приводит к высокочастотному шуму, но также позволяет создавать импульсные источники питания с превосходной энергоэффективностью и малым форм-фактором.

Импульсный источник питания обеспечивает превосходное регулирование линии и нагрузки. SMPS имеет лучшую эффективность по сравнению с линейными регуляторами, поскольку переключающий транзистор рассеивает незначительную мощность.Однако это переключение может создавать шум, который можно уменьшить с помощью фильтрации.

Определяющим фактором, который отличает SMPS от линейного источника питания, является рабочая процедура. Переменный ток высокого напряжения преобразуется с помощью трансформатора в низкое напряжение в линейном источнике питания. Впоследствии оно преобразуется в напряжение постоянного тока, в то время как SMPS сначала преобразует переменный ток в постоянный, а затем преобразует постоянное напряжение до желаемого уровня напряжения.

SMPS находят широкое применение в двигателях постоянного тока и мобильных зарядных устройствах.Напротив, линейный источник питания используется в высокочастотных приложениях, таких как радиочастотное приложение. Размер – еще один важный фактор, отличающий ИИП от линейного источника питания. SMPS легкий, в то время как слово «громоздкий» лучше всего описывает линейный источник питания. SMPS является портативным и может быть легко использован в любом месте, в то время как линейный источник питания может использоваться только для электрических цепей электропитания электронных, лабораторных или промышленных размеров.

Если оборудование будет использоваться глобально, то SMPS работают по всему миру.Напротив, линейный источник питания необходимо настраивать вручную, чтобы он мог работать с любой зарубежной электросетью. Список приложений, которые предпочитают SMPS, – это приложения общего назначения, используемые в исследованиях и разработках, приложениях с высокой мощностью / сильным током, производстве, тестировании и системах связи. Эта технология находит широкое предпочтение, когда речь идет о сетевом оборудовании, мобильных станциях, гальванике, анодировании, гальванопластике, электрофорезе, электролизе, обработке отходов, водородных генераторах, топливных элементах, двигателях постоянного тока, авиации и кораблях / лодках.