Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Как работает шим в импульсных блоках питания

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

со средней точкой.

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

со средней точкой.

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Домашний мастер часто сталкивается с поломками сложной бытовой техники из-за отказов ее электрической схемы. Не всегда удается сразу выполнить такой ремонт. Часто требуются знания про импульсные блоки питания, принципы работы их составных частей.

Такие работники популярны, всегда востребованы, заслуживают уважения. Однако не все так сложно в этом вопросе, как кажется на первый взгляд.

Я выделил 7 правил, по которым работает любой ИБП, постарался объяснить их простыми словами для новичков. А что получилось — оценивайте сами.

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает гальваническую развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи.

Трансформаторные модули тратят значительную часть мощности на электромагнитные преобразования и нагрев, имеют повышенные габариты, вес.

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.

Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора
в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной
выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

  1. в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
  2. импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

  • апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
  • работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
  • последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.

На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.

Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).

Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.

ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.

Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.

За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.

Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.

Его энергия расходуется:

  1. вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
  2. затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.

По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.

Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.

Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.

В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.

При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.

Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.

Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.

Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.

Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.

Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.

Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.

Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.

Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.

Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.

Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.

В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:

  • уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
  • и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:

  • полумостовому;
  • мостовому;
  • или пушпульному принципу построения выходного каскада.

Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор

Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.

К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.

Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.

Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение

Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).

Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.

Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.

Пушпульная схема: важные особенности

Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.

Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.

Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.

К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.

Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.

Выходной выпрямитель: самое популярное устройство

Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.

Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.

Схема стабилизации напряжения: как работает

Самая примитивная схема стабилизации выходного напряжения создается на дополнительной обмотке импульсного трансформатора.

С нее снимается напряжение и подается для корректировки величины сигнала первичной обмотки.

Лучшая стабилизация создается за счет контроля выходного сигнала с вторичной обмотки и отделения его гальванической связи через оптопару.

В ней используется светодиод, через который проходит ток, пропорциональный значению выходного напряжения. Его свечение воспринимается фототранзистором, который посылает соответствующий электрический сигнал на схему управления генератора ключевого каскада.

Повысить качество стабилизации выходного напряжения позволяет последовательное дополнение к оптопаре стабилитрона, как показано на примере микросхемы TL431 на картинке ниже.

Для закрепления материала в памяти рекомендую посмотреть видеоролик владельца Паяльник TV, который хорошо объясняет информацию про импульсные блоки питания: принципы работы на примере конкретной модели.

Надеюсь, что моя статья поможет вам выполнить ремонт ИБП своими руками за 7 шагов, которые я изложил в другой статье.

Задавайте возникшие вопросы в разделе комментариев, высказывайте свое мнение. Его будет полезно знать другим людям.

ШИМ контроллеры - справочник по микросхемам для импульсных блоков питания

Наибольшее распространение в источниках питания для бытовой аппаратуры получили импульсные блоки питания с импульсным трансформатором, в которых силовой ключ работает на постоянной частоте повторения импульсов, а длительность самих импульсов изменяется под действием формирователя широтно-импульсной модуляции ШИМ (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)).

Определение: широтно-импульсная модуляция — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путем изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.

Принцип работы импульсных блоков питания на основе широто-импульсной модуляции


Рис. 1. Принцип формирования ШИМ.

Формирование ШИМ осуществляется с помощью порогового элемента ПЭ, на один вход которого подается пилообразное напряжение Uпил а на второй — медленно изменяющееся напряжение Uизм, пропорциональное значению выходного напряжения лока питания Uвых. Изменение наклона пилы или уровня напряжения Uизм приводит к изменению момента срабатывания ПЭ, а значит, и длительности импульсов tо на выходе ключа К (рис. 1). Отметим, что пилообразное напряжение может сниматься как с выхода специального генератора, так и с низкоомного резистора, включенного последовательно с силовым ключом К (во время замкнутого состояния ключа ток, проходящий по нему и по соответствующей обмотке импульсного трансформатора, близок по форме к пилообразному).

В схему управления обычно входят задающий генератор (чаще всего, RC-типа или блокинг-гене-ратор), широтно-импульсный модулятор (ШИМ), цепи запуска, стабилизации (цепи обратных связей) и защиты. Весьма часто, для уменьшения помех на изображении, работу задающего генератора синхронизируют со строчной разверткой, для чего на схему управления поступают строчные импульсы обратного хода (СИОХ).


Рис. 2. Структурная схема импульсного стабилизатора телевизора с ШИМ.

Напряжение с выпрямителя Uвх подается на ключ К, соединенный последовательно с первичной обмоткой импульсного автотрансформатора L1 и эталонным резистором R24. Ключ К открывается в моменты прихода на него импульсов с усилителя У, длительность которых определяет значения напряжений на выходах вторичных выпрямителей В1 и В2. С выхода выпрямителя В2 через измерительную схему ИС напряжение поступает на один - из входов СС; на другой ее вход подается напряжение с источника опорного напряжения (ИОН).

Выходное напряжение ошибки с СС управляет проводимостью генератора тока ГТ, которая определяет длительность импульсов на выходе схемы ШИМ. Период следования импульсов с генератора Г, поступающих на формирователь ШИМ, соответствует периоду следования импульсов строчной развертки телевизора, так как синхронизируется ими по входу «Синхр».

Формирователь Ф улучшает форму прямоугольных импульсов. При возрастании падения напряжения на R24 срабатывает схема защиты СЗ и запрещает проход импульсов на ключ К. При включении телевизора стабилизатор запускается броском тока через резистор R14; в стационарном режиме стабилизатор питается от схемы самоподпитки С.

Схема импульсного блока питания предъявляет высокие требования к значениям предельно допустимых электрических параметров транзистора, используемого в ключевом каскаде. В течение времени tо (рис. 1), когда транзистор открыт, по обмотке импульсного трансформатора протекает пилообразно возрастающий ток. При чрезмерно "широком" отпирающем импульсе ("пила" слишком долго нарастает) или при коротком замыкании на выходе блока питания ("пила" имеет слишком большую крутизну) транзистор может выйти из строя. С другой стороны, при протекании тока происходит накопление энергии в магнитном поле трансформатора, а при закрывании транзистора возникает ЭДС самоиндукции е, значение которой зависит от питающего каскад напряжения Еп, времени открытого tо и закрытого tз состояния транзистора: е = Eпtо/tз.

Максимальное напряжение, прикладываемое к коллектору транзистора, Uк = Еп (1 + tо/tз.) может оказаться значительным (например, при tо = tз Uк=2Eп). Таким образом, эффективным средством защиты транзистора ключевого каскада от пробоя и от перегрузки по току является соответствующая регулировка соотношения tо/tз с помощью схемы широтно-импульсной модуляции ШИМ. Кроме того, для защиты выходного транзистора от пробоя к его коллектору подключают демпфирующие цепочки, составленные из резисторов, конденсаторов, диодов; между базой и эмиттером включают низкоомный резистор. Для демпфирования паразитных колебаний применяется специальная рекуперационная обмотка импульсного трансформатора с подключенным к ней выпрямителем.

Для уменьшения наводок от импульсного блока питания диоды выпрямителей шунтируются конденсаторами небольшой емкости; в цепи сглаживающих фильтров включают дроссели, роль которых нередко выполняет кусочек проволоки, продетой в ферритовую трубку; большое внимание уделяется экранированию и заземлению.

С целью получения дополнительных номиналов стабильного выходного напряжения в состав импульсных блоков питания нередко входит маломощный линейный стабилизатор, подключаемый к выходу одного из вторичных выпрямителей. В бестрансформаторных импульсных блоках питания сетевое напряжение подается на выпрямитель через специальный резистор, ограничивающий бросок тока в момент включения телевизора. Специфической особенностью блоков питания, применяемых в цветных телевизорах, является наличие в некоторых из них схемы размагничивания маски и бандажа кинескопа.

Смотрите также материалы, где рассматриваются основные принципы работы импульсных блоков питания на основе широто-импульсной модуляции:
Импульсные блоки питания структурная схема, принципы работы
Трансформаторные преобразователи с задающими генераторами

Онлайн справочник по микросхемам для импульсных блоков питания

Самый простой способ найти нужную документацию на микросхему для блоков питания, их цоколевку, типовую схему включения - воспользоваться быстропоиском в конце страницы или пролистать справочник и ознакомиться с его содержанием.

Быстропоиск:
Микросхемы: HM9207 | IX1779ce | KA3842 | KA3882 | M67209 | MA2830 | MA2831 | STK730-080 | STK7348 | STR451 | STR6307 | STR10006 | STR11006 | STR40115 | STR50103 | STR50115 | STR54041 | STR80145 | STRD1816 | STRD6004 | STRD6601 | STR-M6549 | STR-S5941 | TDA4600 | TDA4601 | TDA4601b | TDA4605 | TDA8380 | TEA1039 | TEA2018 | TEA2019 | TEA2162 | TEA2164 | TEA2260 | TEA2262 | TEA5170 | UAA4600 | UC2842 | UC3842 | UC2844 | UC2845 | UC3844 | UC3845

Как работает импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения.

Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств.

Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой  пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В.

Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме.

Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию.

Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм.

Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц.

Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток.

Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Пример миниатюрных импульсных БП

  • Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
  • На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя.

Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

  • различные виды зарядных устройств;
    Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Источник: https://www.asutpp.ru/impulsnyj-blok-pitaniya.html

Ремонт импульсных блоков питания своими руками

instrument.guru > Электроника > Ремонт импульсных блоков питания своими руками

Оглавление:

  • Общие принципы работы импульсных блоков питания
  • Рабочий инструмент для проверки импульсных блоков питания
  • Основные неисправности и методы проверки импульсных блоков питания
  • Самостоятельная и качественная пайка
  • Основные этапы ремонта импульсных блоков питания
  • Неисправности импульсных блоков питания на 12 вольт

В последнее время многие производители импульсных блоков питания решают вопрос ремонта или замены своего «детища» кардинально.

Они просто делают монолитные импульсные блоки, не оставляя практически никаких вариантов начинающим радиолюбителям для их ремонта.

Но если вы стали обладателем разборного импульсного блока питания, то в умелых руках и владея определёнными знаниями и элементарными навыками замены радиоэлементов, вы легко сможете самостоятельно продлить срок его службы.

Общие принципы работы импульсных блоков питания

Давайте сначала разберёмся с общим принципом работы любого импульсного блока питания.

Тем более что основные рабочие функции и даже выходные напряжения для определённых моделей, которые необходимы для функционирования всей системы (будь то телевизор или другой вариант электронного устройства) у всех импульсников практически одинаковы.

Различаются только индивидуальные схематические рисунки и соответственно применяемые радиоэлементы и их параметры. Но это уже не столь важно для понимания общего принципа его работы.

Для простых любителей или «чайников»: общий принцип работы импульсных блоков питания заключается в трансформации переменного напряжения, которое подаётся непосредственно из розетки 220 В в постоянные выходные напряжения для запуска и работы всех остальных блоков системы.

Осуществляется такая трансформация с помощью соответствующих импульсных радиоэлементов. Основными из них являются импульсный трансформатор и транзистор, которые обеспечивают рабочее функционирование всех электропотоков. Для проведения ремонта нужно знать как запускается этот блок.

А для начала проверить наличие входного рабочего напряжения, предохранитель, диодный мост и так далее.

Рабочий инструмент для проверки импульсных блоков питания

Для ремонта импульсного блока питания, вам потребуется обычный, даже простенький мультиметр, который проверит постоянное и переменное напряжение. С помощью функций омметра, прозвонив сопротивления радиодеталей, вы также можете быстро проверить исправность предохранителей, дросселей, рабочее сопротивление резисторов, «бочонки» электролитических конденсаторов. А также транзисторные диодные переходы или диодные мосты и прочие виды радиоэлементов и их связи в любой электронной схеме (иногда даже не выпаивая их полностью).

Проверять импульсный блок сначала нужно в «холодном» режиме.

В этом случае прозваниваются все визуально подозрительные (вздувшиеся или горелые радиодетали), которые поддаются «холодной» проверке без подачи рабочего напряжения.

Визуально испорченные радиодетали следует немедленно заменить на новые. Если облезла маркировка воспользуйтесь принципиальной схемой или найдите соответствующий вариант в интернете.

Замену производить нужно только с разрешающим допуском по определённым параметрам, который вы можете найти для любого радиоэлемента в специализированной литературе или в прилагающейся к прибору схеме. Это безопасный метод, потому что импульсные блоки питания очень коварны своими электрическими разрядами.

Не забывайте и то, что при обнаружении нерабочего радиоэлемента, нужно проверить соседние с ним детали. Зачастую резкие перепады напряжения при сгорании одного элемента, влекут за собой выход из строя соседних.

В процессе практической деятельности по ремонту определённых моделей вы будете логически вычислять неисправность исходя из результата состояния ремонтируемого объекта.

К примеру, даже по определённому запаху (запах тухлых яиц при выходе из строя электролита), при включении по монотонному звуку или треску в процессе работы блока и прочих дефектах, которые могут возникнуть в процессе работы любого электронного прибора.

В рабочем режиме проверка импульсного блока питания возможна только при нагрузке всей системы – не вздумайте отключить нагрузочные шины телевизора при проверке. Можно создать нагрузку искусственным путём с помощью подключения специально собранного нагрузочного эквивалента.

Основные неисправности и методы проверки импульсных блоков питания

Как включить и выставить определённый режим мультиметра каждый может разобраться сам, даже школьник.

Перед началом проверки убедитесь в работоспособности сетевого кабеля или выключателя, которые можно определить визуально или с помощью мультиметра. Не забудьте при любой проверке разрядить электролитические конденсаторы.

Они накапливают и удерживают довольно приличный заряд на протяжении определённого времени, даже после выключения всей системы.

  1. Для этого закоротите контакт любого электролита, а лучше пройдитесь по всей плате изолированным щупом (с номинальным сопротивлением несколько кОм и мощностью больше 0,5 Вт), который другим концом будет подсоединён к заземлению. Старайтесь заземлять только точечные контакты, не прикасаясь одновременно к двум, иначе можете испортить радиодетали. Иногда таким способом вы сможете убрать «коротыш». Это короткое замыкание в схеме, которое может возникнуть при выходе из строя некоторых элементов блока питания.
  2. Как уже говорилось выше все вздувшиеся и чёрные радиоэлементы нужно сразу заменить на подобные, но не спешите после этого сразу опробовать весь блок. Прозвоните соседние детали и при необходимости замените их.
  3. Прозвонить силовые и выпрямительные мосты (при необходимости выпаять), обычно они выполнены на диодах, которые проверяются омметром и имеют односторонний переход. Для проверки подключите щупы мультиметра ко входу и выходу диода (сначала чёрный щуп к одному контакту, а красный к другому, а затем меняя местами), вы должны убедиться, что он не пробит. То есть, вы должны увидеть определённое числовое показание мультиметра, когда подключите щупы в правильном направлении плюс и минус. Единица будет означать исправность перехода в обратном направлении (т. е. непробитый переход). Таким способом нужно проверить все сомнительные детали с диодными переходами.

Возможные причины выхода из строя импульсного блока питания и необходимая замена нерабочих радиоэлементов:

  1. При сгорании предохранителя весь блок обесточивается. Заменить перегоревший контакт очень просто. Используйте обычный проволочный волосок, который наматывается поверх предохранителя или припаивается непосредственно к его контактам. Необходимо учитывать толщину волоска, которая рассчитана на определённую силу тока. Иначе вы рискуете в последующем вывести из строя весь импульсный блок, если предохранитель не сработает.
  2. Если полностью отсутствует выходное напряжение, возможно, неисправен соответствующий конденсатор или дроссель, который нужно заменить или поменять обмотку. Для этого нужно размотать повреждённый провод и намотать новый с соответственным количеством витков и подходящим сечением. После чего самодельный дроссель впаивается на своё рабочее место.
  3. Проверить все диодные мосты и переходы. Как это сделать описано выше. Не забывайте при установке новых деталей производить самостоятельную, а главное, качественную пайку.

Самостоятельная и качественная пайка

  1. Предметы первой необходимости при ремонте это паяльник, канифоль и «отсос». Отсос – механический (или электрический) прибор, который применяется во время выпаивания элементов и служит для предотвращения перегрева во время пайки. Принцип его работы заключается в резком втягивании в себя расплавленного олова, которое при сильном нагреве может вывести радиоэлемент из строя. Особенно это касается интегральных микросхем, которые очень чувствительны к таким температурным скачкам. Отсосы бывают механические и электрические. Хорошо и правильно подобранный по мощности паяльник в сочетании с отсосом являются отличным тандемом для качественной пайки.
  2. Для выпаивания и обратной установки необходимых радиоэлементов можно пользоваться не только паяльником и отсосом, но и термовоздушной паяльной станцией. Её несложно соорудить и самому. Обычный вентилятор можно использовать в качестве нагнетателя, а спираль буде нагревающим элементом. Схема на тиристоре будет оптимальным вариантом для регулировки температуры. Такая станция ещё удобна и для прогрева всех подозрительных и некачественных паек, которые могут стать причиной появления микротрещин, и как результат – плохого контакта.

Правильная и качественная пайка является одним из основополагающих навыков, которым должен овладеть любой начинающий радиолюбитель. От этого зависит конечный результат всего ремонта и срок дальнейшей эксплуатации отремонтированного прибора.

Основные этапы ремонта импульсных блоков питания

  1. Несмотря на то что практически все импульсные блоки питания работают почти по одному принципу, схематические схемы для разных моделей электроприборов могут существенно различаться. Поэтому прежде чем приступить к ремонту постарайтесь найти электрическую принципиальную схему именно на тот объект, который собираетесь ремонтировать. Это поможет и для замеров конкретных рабочих напряжений в определённых точках, чтобы быстрее понять и найти неисправный элемент в цепи.
  2. Как бы теоретически вы ни были подкованы в этой области, без практических навыков вам не обойтись. Элементарные знания и практическое использование мультиметра или осциллографа, а также практические навыки по замене радиоэлементов с помощью паяльника и припоя вам просто необходимы в процессе ремонта.
  3. Если первые два этапа выполнены и вы готовы начать – разберите и почистите устройство с помощью пылесоса и произведите визуальную проверку блока (обратите внимание на вздутые конденсаторы, гарь и прочие механические дефекты).
  4. Проверьте электроприборами соответствие рабочих напряжений согласно схеме или просто подозрительные радиоэлементы. Осциллографом определите соответствие необходимых пульсаций в контрольных точках. После этого делайте выводы и производите необходимые замены.

Возможные неисправности типовых импульсных блоков питания на примере телевизора или компьютера:

  • Если нет свечения светодиода дежурного режима телевизора, прозвоните сетевой шнур и предохранитель блока питания. Когда они в порядке проверьте дальше выпрямительный мост, транзисторы, стабилитроны и выходные напряжения микросхемы. Не забудьте устранить возможные «коротыши». А также можете пойти от обратного. Для этого замерьте выходные напряжения, которые должны подаваться на остальные блоки и если найдёте несоответствие – проверяйте всю цепочку в обратном порядке. Включайте при этом не только измерительные приборы, но и свою логику. Для этого, конечно, нужны теоретические знания работы тока в конкретном блоке. Но если вы имеете представление хотя бы о простых законах Ома – сделать это будет несложно.
  • Для ремонта компьютерного блока питания можно начать с обычных первоначальных проверок любого электроблока. Маленькое отступление и совет: убедитесь в точности своей диагностики. Если вы неуверены в правильности своих выводов по поводу неисправности того или иного блока – просто замените его на заведомо исправный. Если замена устранила дефект или сделала работоспособной систему, значит, вы не ошиблись и можете смело приступать к ремонту заменяемого блока. Для этого проверяются все предохранители и диодные переходы. Проверка обмоток трансформатора тоже будет не лишней. Запомните одно, и это, главное. Даже если вы не имеете понятия о процессах, происходящих, в радиоэлементах под воздействием разного тока, научитесь просто читать электрическую схему и по ней измерять и сравнивать нужные напряжения и делать логические выводы. Это как разгадывание кроссворда – занимательно и интересно.

Неисправности импульсных блоков питания на 12 вольт

Сложность замены любого импульсного блока питания на 12 В заключается в поиске нужной модели, а они очень многообразны. Поэтому найти такой блок с нужным выходным напряжением и силой тока не всегда представляется возможным, если он быстро понадобился. Иногда проще, при незначительной поломке, восстановить его работоспособность самому. Вот некоторые советы для этого:

  • Если полностью пропало выходное напряжение нужно вскрыть корпус и проверить электролитический конденсатор со средней ёмкостью до 70 мкФ. При выходе его из строя он обычно вспучивается, хотя дополнительно можно проверить и мультиметром.
  • Также проверяется предохранитель и выпрямительный мост, который часто выходит из строя при сетевых перегрузках.
  • После замены неисправных радиодеталей проверьте соседние, которые могли пострадать от большого выхода энергии сгоревших деталей.

Надеемся, эта статья дала общее представление об устройстве импульсных блоков питания. А, возможно, даже и заинтересовала многих начинающих радиолюбителей, которые хотят повысить свои профессиональные навыки.

Источник: https://instrument.guru/elektronika/remont-impulsnyh-blokov-pitaniya-svoimi-rukami.html

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Импульсный блок питания служит для преобразования входного напряжения до величины, необходимой внутренним элементам устройства. Иное название импульсных источников, получившее широкое распространение, – инверторы.

Что это такое?

Инвертор – это вторичный источник питания, который использует двойное преобразование входного переменного напряжения. Величина выходных параметров регулируется путем изменения длительности (ширины) импульсов и, в некоторых случаях, частоты их следования. Такой вид модуляции называется широтно-импульсным.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты. Этим он отличается от обычного трансформатора.

Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов. Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока.

То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Количество и полярность выходных значений может быть самым различным в зависимости от того, как работает импульсный блок питания.

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

  • бестрансформаторные;
  • трансформаторные.

Первые отличаются тем, что импульсная последовательность поступает непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум комплектующих. Простой инвертор включает в себя специализированную интегральную микросхему – широтно-импульсный генератор.

Из недостатков бестрансформаторных устройств главным является то, что они не имеют гальванической развязки с питающей сетью и могут представлять опасность удара электрическим током. Также они обычно имеют небольшую мощность и выдают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых высокочастотная последовательность импульсов поступает на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно много, что позволяет формировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена на собственный выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Мощный импульсный блок питания любого компьютера построен по такой схеме, которая имеет высокую надежность и безопасность. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 Вольт, поскольку эти значения требуют максимально точной стабилизации.

Использование трансформаторов для преобразования напряжения высокой частоты (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило многократно снизить их габариты и массу и использовать в качестве материала сердечника (магнитопровода) не электротехническое железо, а ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой.

На основе широтно-импульсной модуляции построены также преобразователи постоянного тока. Без использования инверторных схем преобразование было связано с большими трудностями.

Схема БП

В схему самой распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

  • сетевой помехоподавляющий фильтр;
  • выпрямитель;
  • сглаживающий фильтр;
  • широтно-импульсный преобразователь;
  • ключевые транзисторы;
  • выходной высокочастотный трансформатор;
  • выходные выпрямители;
  • выходные индивидуальные и групповые фильтры.

Назначение помехоподавляющего фильтра состоит в задерживании помех от работы устройства в питающую сеть. Коммутация мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком спектре частот. Поэтому здесь необходимо в качестве проходных конденсаторов фильтрующих звеньев использовать разработанные специально для этой цели элементы.

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

В том случае когда используется преобразователь постоянного напряжения, выпрямитель и фильтр становятся ненужными, и входной сигнал, пройдя цепи помехоподавляющего фильтра, подается непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ является самой сложной частью схемы импульсного источника питания. В его задачу входят:

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

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

Вместо традиционных биполярных транзисторов используются IGBT- или MOSFET-транзисторы, которые отличаются малым падением напряжения на переходах и высоким быстродействием.

Улучшенные параметры транзисторов способствуют уменьшению рассеиваемой мощности при одинаковых габаритах и технических параметрах конструкции.

Выходной импульсный трансформатор использует одинаковый с классическим принцип преобразования. Исключением является работа на повышенной частоте. Как следствие, высокочастотные трансформаторы при одинаковых передаваемых мощностях имеют меньшие габариты.

Напряжение со вторичной обмотки силового трансформатора (их может быть несколько) поступает на выходные выпрямители. В отличие от входного выпрямителя, диоды выпрямителя вторичной цепи должны иметь повышенную рабочую частоту. Наилучшим образом на данном участке схемы работают диоды Шоттки. Их преимущества перед обычными:

  • высокая рабочая частота;
  • сниженная емкость p-n перехода;
  • малое падение напряжения.

Назначение выходного фильтра импульсного блока питания – снижение до необходимого минимума пульсаций выпрямленного выходного напряжения. Поскольку частота пульсаций намного выше, чем у сетевого напряжения, то нет необходимости в больших значениях емкости конденсаторов и индуктивности у катушек.

Сфера применения импульсного блока питания

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

При одинаковой мощности инверторы отличаются меньшими габаритными размерами и массой, высокой надежностью, а главное – более высоким КПД и возможностью работать в широком диапазоне входного напряжения.

А при сравнимых габаритах максимальная мощность инвертора в несколько раз выше.

В такой области, как преобразование постоянного напряжения, импульсные источники практически не имеют альтернативной замены и способны работать не только по понижению напряжения, но и вырабатывать повышенное, организовывать смену полярности. Высокая частота преобразования существенно облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

Малогабаритные инверторы на специализированных интегральных микросхемах используются в качестве зарядных устройств всевозможных гаджетов, а их надежность такова, что срок службы зарядного блока может превосходить время работоспособности мобильного устройства в несколько раз.

Драйверы питания на 12 Вольт для включения светодиодных источников освещения также построены по импульсной схеме.

Как сделать импульсный блок питания своими руками

Инверторы, особенно мощные, имеют сложную схемотехнику и доступны для повторения только опытным радиолюбителям.

Для самостоятельной сборки сетевых источников питания можно рекомендовать несложные маломощные схемы с использованием специализированных микросхем ШИМ-контроллеров.

Такие ИМС имеют малое количество элементов обвязки и имеют отработанные типовые схемы включения, которые практически не требуют регулировки и настройки.

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

Источник: https://odinelectric.ru/equipment/chto-takoe-impulsnyj-blok-pitaniya-i-gde-primenyaetsya

Импульсный блок питания

Для обычного человека, не вникающего в электронику, был незаметен переход всех питающих устройств с линейных на импульсные. Именно импульсные источники (ИИП) питания устанавливаются во всей современной аппаратуре. Основная причина перехода на такой тип преобразователей напряжения — это уменьшение габаритов. Так как всё время, с начала появления и изобретения, электронные приборы требуют постоянного уменьшения их размеров. На рисунке изображен для сравнения габариты обычного и импульсного источника постоянного тока. Не вооруженным глазом видны различия в размерах.

Принцип действия ИИП и его устройство

Импульсный источник питания — это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты.

В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора. Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением.

Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц.

Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

При этом импульсные трансформаторы, в отличие от обычных линейных, имеют ферритовый сердечник магнитопровода, а не стальной из пластин. И также современные блоки питания работающие по этому принципу состоят из:

  1. выпрямителя сетевого напряжения;
  2. генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
  3. преобразователя постоянного стабилизированного напряжения.

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания.

Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

Даже при работе на таких частотах эти импульсные устройства вырабатывают высокочастотные помехи. А чем больше их в одном помещении или в одном закрытом помещении тем больше их в радиочастотах. Для поглощения этих негативных влияний и помех устанавливаются специальные помехоподавляющие фильтры на входе устройства и на его выходе.

Это наглядный пример современного импульсного блока питания применяемого в персональных компьютерах.

A — входной выпрямитель. Могут применяться полумостовые и мостовые схемы. Ниже расположен входной фильтр, имеющий индуктивность;
B — входные с довольно большой емкостью сглаживающие конденсаторы.

Правее установлен радиатор высоковольтных транзисторов;
C — импульсный трансформатор.

Правее смонтирован радиатор низковольтных диодов;
D — катушка выходного фильтра, то есть дроссель групповой стабилизации;
E — конденсаторы выходного фильтра.

Катушка и большой жёлтый конденсатор, находящиеся ниже E, являются компонентами дополнительного входного фильтра, установленного непосредственно на разъёме питания, и не являющегося фрагментом основной печатной платы.

Если схему радиолюбитель изобретает сам то он обязательно заглядывает в справочник по радиодеталям. Именно справочник является основным источником информации в данном случае.

Обратноходовой импульсный источник питания

Блок питания из энергосберегающих ламп

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей.

Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

  1. Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
  2. Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью.

Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы.

В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства.

Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д.

Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

Блок питания для шуруповерта 12в своими руками

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

  1. Значительное снижение габаритов и массы устройств;
  2. Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
  3. Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
  4. Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
  5. Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

  1. Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
  2. Нежелательная работа их без нагрузки;
  3. Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники.

Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться.

ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Видео о работе импульсного источника питания

Источник: https://amperof.ru/elektropribory/impulsnyj-blok-pitaniya.html

Импульсные блоки питания

ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРИМЕНЕНИЕ

Блок питания — это устройство, преобразующее сетевое напряжения до уровня, необходимого для работы электрических схем различных приборов. Вторичные источники электропитания часто используются для бытовой техники и промышленных установок, содержащих электронику.

Изначально источники вторичного напряжения строились по схеме, которую принято называть трансформаторной. Принцип её работы состоит в трансформации сетевого напряжения до необходимого уровня с последующим его выпрямлением и стабилизацией.

Типовая схема традиционного источника электропитания состоит из следующих элементов:

  • силовой понижающий трансформатор, содержащий одну или несколько вторичных обмоток, в зависимости от потребностей питаемой схемы; выпрямительный блок, как правило, выполняется по схеме диодного моста;
  • конденсатор фильтра, включенный между положительным и отрицательным выводами моста и необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, иногда для улучшения параметров фильтра, в схему добавляется дроссель;
  • стабилизатор выходного напряжения, построенный на основе специализированной микросхемы или содержащий ключевой транзистор и небольшую схему управления.

Эти схемы надёжны в работе, не создают высокочастотных помех, обеспечивают гальваническую развязку между первичными и вторичными цепями. Тем не менее есть ряд причин по которым они уступают блокам питания импульсного типа.

Трансформаторы, преобразующие напряжение с частотой 50 герц, отличаются относительно большими габаритами и весом. Это свойство трансформаторных источников электропитания вступило в противоречие с общими принципами миниатюризации бытовых и промышленных электроприборов.

Проблему удалось решить путём создания импульсных или инверторных блоков. Такие параметры трансформатора, как сечение магнитопровода, количество витков обмотки и сечение провода, существенно уменьшаются с увеличением частоты преобразуемого напряжения.

Это также относится к ёмкости, следовательно, и к габаритам фильтрующих конденсаторов. Этот базовый принцип электротехники был послужил основой при создании вторичных источников питания нового типа.

Как работает импульсный блок питания

Принцип работы импульсного блока питания заключается в ряде последовательных преобразований питающего напряжения:

  • выпрямление входного напряжения;
  • инвертирование, то есть, генерация сигнала с частотой от десятков до сотен килогерц;
  • трансформация высокочастотных импульсов до требуемого уровня;
  • выпрямление и фильтрация полученного напряжения.

Цепочка преобразований в описании принципа работы импульсного блока питания выглядит достаточно громоздкой и даже лишённой смысла. Однако нужно учесть что в данной схеме преобразуется напряжение, частота которого в отдельных моделях составляет 200 кГц (а не 50 Гц, как в трансформаторных источниках питания).

Трансформаторы, которые работают на высоких частотах, называют импульсными. Обычно они используют магнитопровод тороидальной формы (в виде бублика) небольшого размера. Это позволило уменьшить вес и габариты блока той же мощности более чем на порядок.

Тор обычно изготавливается штамповкой из пермаллоя — сплава, состоящего из железа и никеля, магнитопровод же низкочастотного трансформатора набирается из тонких пластин электротехнической стали.

Принцип инверторного преобразования дает возможность создать сверхминиатюрные аппараты электродуговой сварки, работа которых возможна от обычной бытовой розетки, способные сваривать металл до 10 мм толщиной, легко переносимые в небольшой сумке с плечевым ремнём.

Базовые принципы, на которых основано устройство импульсного блока питания не новы, всё находится в рамках давно устоявшихся представлений об электричестве. Что же мешало создать их раньше? Причина в технологии.

Главными электронными компонентами инверторного преобразователя импульсного блока являются элементы схемы, способные работать с высокими частотой и напряжением и большими токовыми нагрузками.

Раньше, компонентов, отвечающих этим требованиям, просто не существовало.

Настоящий прорыв в развитии и распространении инверторных технологий произошёл после того, как мировым производителям электроники удалось наладить массовое производство мощных IGBT – транзисторов, а также полевых транзисторов по технологии MOSFET. Они отличаются очень малым значением тока управления, что обеспечивает высокий КПД блока.

Кроме мощных транзисторных ключей, инвертор содержит времязадающие цепочки, генерирующие высокочастотные сигналы управления транзисторами.

Применение в этом качестве цифровых микросхем ШИМ – контроллеров позволяет ещё более миниатюризировать электронную часть. Контроллер широтно импульсного модулирования формирует прямоугольные периодические импульсы. В целом схемотехнически импульсные блоки питания относительно просты.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт обратной связи этого параметра с задающими цепями ШИМ – контроллера. Принцип работы обратной связи — при отклонении уровня контролируемого параметра на выходе от номинального значения происходит изменение скважности импульсов, формируемых контроллером.

Скважностью импульсов называется безразмерная величина, равная отношению периода чередования этих импульсов к их длительности. Таким образом, скважность изменяется от 0 до 1.

Увеличение уровня выходного напряжения вызывает снижение скважности и наоборот, то есть, имеет место отрицательная обратная связь. Скважность, задаваемая контроллером, определяет режим работы ключевых транзисторов. Чем выше значение скважности, тем большую часть периода транзистор открыт, и тем больше среднее значение напряжение за период.

Описанный принцип стабилизации обеспечивает работу блока питания в очень широком диапазоне изменения питающего напряжения. Резюмируя сказанное, преимущества импульсных блоков питания таковы:

  • малые габариты и вес по сравнению с трансформаторными источниками питания;
  • схемотехническая простота, обусловленная применением интегральных электронных компонентов;
  • возможность работы в широком диапазоне изменения значений входного напряжения.

Применение импульсных блоков

Источники вторичного напряжения инверторного типа используются повсеместно, как в быту, так и в промышленной технике. Перечень устройств и бытовых приборов, в которых реализована схема электропитания, работающая по принципу инверторного преобразователя:

  • все виды компьютерной техники;
  • телевизионная и звуковоспроизводящая аппаратура;
  • пылесосы, стиральные машины, кухонная техника;
  • источники бесперебойного электроснабжения различного назначения;
  • системы видеонаблюдения, комплексы охранной сигнализации.

Исполнение инверторных источников зависит от условий эксплуатации и назначения. Блоки питания, встроенные в электроприбор, выполняются бескорпусными. Они могут располагаться внутри основного изделия на отдельной плате, или быть интегрированы в общую плату электроприбора.

Существуют источники электропитания для автономного применения, к ним могут подключаться различные потребители. Примером могут служить зарядные устройства, источники электропитания систем видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации. Такие блоки питания размещаются в отдельном корпусе и комплектуются штекерами и проводами для подключения.

  *  *  *

© 2014-2019 г.г. Все права защищены.Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Источник: https://video-praktik.ru/blok_pitanija_impulsnyj.html

Ремонт импульсных блоков питания (ремонтные модули)

Стоимость: $0,5

Сегодня я хочу рассказать о модулях для ремонта импульсных блоков питания ( далее — ИБП). Импульсные блоки питания достаточно сложные изделия и они нередко выходят из строя (особенно изделия нонейм невысокого качества). Стоит ли их ремонтировать? Не всегда. Часто, если блок питания не очень качественный и имеет стандартное напряжение,  гораздо проще, быстрее и дешевле просто купить новый готовый блок питания или высококачественную  плату с разборки (китайцы часто недорого продают платы брендовые блоков питания с разборки или после восстановления).  

Давно не писал. Проект kupislonica некоммерческий (по этой причине меркантильные авторы сбежали на другие ресурсы, писать хвалебные обзоры на товары бесплатно предоставляемые магазинами, что, вероятно, к лучшему). Теперь это полностью мой блог (ну может будут ещё 1-2 автора). Так а как работы за которую платят (и неплохо) у меня хватает и она идет вне очереди, статьи долго не писались. Но, наконец, я решил возобновить это неблагодарное дело, тем более что информации для написания статей накопилось масса.  

Бывают случаи, когда блок питания просто поменять не так уж просто или вообще невозможно. Например, если он имеет несколько нестандартных напряжений на выходе, необычные размеры или интегрирован в основную плату дорогого и/или уникального изделия. В таком случае альтернативы ремонту нет. А отремонтировать ИБП иногда сложно и недешево. При проблеме в «горячей» части обычно пробивает силовой транзистор, который тянет за собой низкоомный токовый резистор, микросхему ШИМ, диодный мост, предохранитель а иногда и синфазный дроссель. В совокупности, стоимость этих деталей уже велика, и это не считая  времени, затраченного на ремонт, а время это один из самых дорогих ресурсов. Много времени часто уходит на то, чтобы распознать элементы, найти и купить их или их аналоги. Иногда микросхемы ШИМ не имеют маркировки или она затерта и приходится искать соответствие по выводам, подбирать варианты и изучать даташиты. Иногда специфические микросхемы или мосфеты бывает сложно приобрести или доставка очень долгая. При заказе можно нарваться на перемаркировку и, прождав пару месяцев, сжечь их при первом включении или первой серьезной нагрузке.  И самая худшая на мой взгляд ситуация: блок питания уже кто-то пытался ремонтировать, «перепахал» половину платы, поднял и повредил часть дорожек, заменил некоторые детали (и не факт что на аналогичные а не на те, похожие, что были под рукой). При  таком варианте время, которое придется затратить на то чтобы восстановить схему, найти все проблемы, заказать и приобрести детали, может превысить все разумные пределы и сделать ремонт нерентабельным, даже если клиент готов дорого платить. Вот тогда-то и помогают ремонтные модули. 

Они предназначены для того чтобы быть встроенными в любой ИБП после выпрямителя, подключиться к существующему силовому трансформатору и обеспечить работу блока питания в штатном режиме, не касаясь «холодной» части схемы, тем самым сохранив все напряжения и настройки ремонтируемого блока питания. Стоимость таких ремонтных модулей невелика (часто ниже чем стоимость деталей, которые нужно заменить при ремонте ИБП а время ремонта гарантированно сокращается до десятков минут. 

Справка: ремонтные модули появились уже довольно давно и предназначались для ремонта блоков питания телевизоров. Они были построены на контроллерах Gakun и активно обсуждались на ремонтных форумах. Гакун стало именем нарицательным, как в свое время Ксерокс, джакузи, унитаз, бендикс и т.п. Модули GAKUN стоили немало, от десяти долларов и выше, но при ремонте телевизора ценой от нескольких сотен до тысяч долларов такая стоимость была оправданной, модули окупались.  

К тому времени я уже не занимался ремонтом телевизоров, а при ремонте сетевого оборудования или другой недорогой техники высокая стоимость ремонтных модулей сводила смысл ремонта к нулю и GAKUN были для меня не интересны. Проще уж было вкорячить какой-нибудь ТОР или TNY. Но мне хотелось более изящных решений при ремонтах, я даже сам начал разрабатывать ремонтный модуль на микросхеме KA5M63035R (десяток их у меня завалялся, вот и хотелось пустить их в дело), разводить печатную плату и т.п. Но до серии дело не дошло. Китайцы наладили массовое производство нескольких видов ремонтных модулей. И пусть они сделаны неидеально, их цена в несколько раз ниже, чем себестоимость при собственном изготовлении и это решающий фактор. 

Ремонтные модули бывают разные по мощности и по схеме включения. Есть модули практически вообще не использующие схему ремонтируемого блока и требующие для своего подключения всего 5 точек: плюс и минус высоковольтного конденсатора, drain мосфета долженен быть удален), плюс и минус выходного напряжения. На плате такого модуля есть сам ШИМ контроллер, мощный MOSFET, миниатюрный трансформатор питания с выпрямителем, схема стабилизации с оптопарой и подстроечный резистор чтобы выставить напряжение стабилизации. 

Мощность блоков питания, которые можно починить с помощью таких модулей ограничивается только мосфетом на модуле (можно заменить на нужный). Стоят такие модули от 2 долларов и выше (изначально можно выбрать с мосфетом нужной мощности), у них есть свои недостатки но о них таких ремонтных модулях я напишу отдельный обзор, они того стоят.  

Самые простые и дешёвые (я брал от 50 центов) ремонтные модули состоят из миниатюрной платки, контроллера со встроенным силовым транзистором и пары деталей. И про них я и хочу сегодня рассказать. 

Данные ремонтные модули сделаны на микросхеме FSDM0465 (или FSDM0565) и используют обмотку самопитания штатного трансформатора ремонтируемого блока питания и его оптопару,  предполагая тем самым что схема контроля напряжения ремонтируемого блока питания исправна.  

Что обещает нам микросхема 

Features
■ Internal Avalanche Rugged SenseFET
■ Advanced Burst-Mode Operation Consumes
under 1W at 240VAC and 0.5W Load
■ Precision Fixed Operating Frequency: 66kHz
■ Internal Startup Circuit
■ Improved Pulse-by-Pulse Current Limiting
■ Over-Voltage Protection (OVP)
■ Overload Protection (OLP)
■ Internal Thermal Shutdown Function (TSD)
■ Abnormal Over-Current Protection (AOCP)
■ Auto-Restart Mode
■ Under-Voltage Lock Out (UVLO) with Hysteresis
■ Low Operating Current: 2.5mA
■ Built-in Soft-Start

Как по мне, так очень даже неплохо. Некоторые продавцы на своих страницах обещают мощность до 180W. В даташите на FSDM0465 не так оптимистично, мощность указана до 56W. Модули на FSDM0565 то же самое, но мощность до 80W.

На это имеет смысл обратить внимание при покупке. Иногда выгоднее купить на 2-3 цента дороже но иметь полуторный запас мощности.

Приехали данные модули прямо на общей плате. Нужен тебе – отломай и используй.

Это говорит о том что врядли их кто-то тестирует перед продажей, запаяли и вперёд. О том что это не промышленное производство говорит и то, что на общей плате запаяны микросхемы с абсолютно разными маркировками, датами производства и даже разными стилями лазерной маркировки (не факт что среди десятка нормальных нет 1-2 перемаркированных и нерабочих). Но мне пока нерабочие не попадались.

Кроме микросхемы ШИМ со встроенным силовым транзистором там всего пару деталей и разноцветный шлейф. Я не исключаю, что у разных подвальных производителей цвет проводов может отличаться, поэтому нужно перепроверять а не надеяться на описание подключения только по цвету, тем более у некоторых продавцов в описании фигурирует синий провод, который на самом деле белый. Вероятно описание взяли с чужой странички.  

Разобраться что куда подключать не так уж сложно. Но это если продавец любезно выложил у себя на странице условную схему блока питания с указанием точек подключения.

Что-то типа такого. Но это не лучший вариант инструкции. Продавцы часто не понимают что они продают и выкладывают картинки, которые воруют у конкурентов. Смотрите внимательно.

У некоторых есть описание текстом. Гуглоперевод с китайского на английский а потом с английского на русский сложен к пониманию, я по крайней мере не стал на него полагается. Проще поискать по страницам аналогичных товаров других продавцов, особенно если товар продают дороже. Есть вероятность что для товара за более высокую цену продавец потратил чуть больше времени на описание и может быть приложил схему подключения. 

Типа такой. Ну вот, другое дело! Все понятно ведь?

Или такой. 

Для владеющих английским будет полезна такая картинка:

Я же составил простую табличку:

Цвет провода Назначение
Зеленый +320V («плюс» высоковольтного конденсатора)
Желтый Сток мосфета (Drain), трансформатор 
Красный Самопитпние ШИМ
Белый FB с оптопары
Черный Общий провод («минус»высоковольтного конденсатора)

А вот моя примерная схема условного блока питания с цветными точками куда что подключать.

С помощью данного типа ремонтных блоков я вернул в строй несколько дорогостоящих приборов, которые казались уже неподьемными, так как в разное время прошли через нескольких ремонтников с разной степенью криворукости и на платах встроенных блоков питания питания живого места не было. 

Но давайте уже перейдем к делу, я на практике покажу как восстановить убитый ИБП.

Ко мне попали остатки блока питания от ноутбука DELL из сервис-центра (фото до восстановления не сделал, да и что там смотреть?) с классической неисправностью: пробит силовой транзистор, низковольтный резистор в истоке, диодный мост, синфазный дроссель, предохранитель и ШИМ контроллер. Короче, выгорело все что могло выгореть. В сервисе выпали неисправные элементы и посчитали что ремонт такого блока питания не имеет смысла, поэтому с платы сняли конденсаторы, диод Шоттки синфазный дроссель заменили перемычками (наверно в самом начале, когда была надежда починить), микросхему (с обвесом), отвечающую за сигнал ID выпаяли и, вероятно, переставили в другой блок. Странно что высоковольтный конденсатор остался на месте и оказался исправным. В таком плачевном виде плата досталась мне. Но трансформатор был на месте, микросхема TL431 в smd исполнении и ее обвязка визуально казались нетронутыми и это вселяло надежду.  

Паяли в сервисе не аккуратно, восстанавливать блок явно не собирались, да и плата изначально была обмазана герметиком, все вместе это представляло «душераздирающее зрелище», как говорил ослик из известного детского мультика. На том месте где должен быть ШИМ на плате оторвано несколько дорожек разной длины, не хватает много smd деталей. Восстанавливать такой блок питания классическим способом (поиск ШИМ и замена всех деталей) конечно же не имеет смысла, себестоимость такого ремонта будет соизмерима с ценой нового блока питания (тем более что микросхемы ID уже нет). А вот с помощью ремонтного модуля за $0,5 получить рабочий блок питания с неплохими характеристиками можно попробовать. Изначально поставил себе цель восстановить этот ИБП из того что есть в наличии, не докупая ничего за деньги, себестоимость ремонта не должна была превысить стоимость ремонтного модуля (50 центов или 1 белорусский рубль). И это мне удалось.

Прежде всего я запаял диодный мост. Подходящего по габаритам не нашлось, пришлось взять с запасом по мощности от компьютерного блока питания, чуть подогнув выводы и расширив отверстия в плате. Ничего, больше не меньше. Запаял отсутствующие конденсаторы во вторичной цепи (потом зашунтирую их керамикой). По напряжению взял с запасом, благо ранее раскурочил несколько плат от старых кинескопных мониторов и халявных конденсаторов стоит целая коробка. Также запаял отсутствующий сдвоенный диод Шоттки на 50 вольт 45А (тоже лежит горка после ремонтов компьютерных блоков питания). К этому диоду я вернусь чуть позже более подробно. Тестером проверил отсутствие короткого замыкания по выходу. Предохранитель на плате был предусмотрен специфический, маленький квадратный в пластиковом корпусе. У меня в наличии таких нет. Вместо предохранителя запаял NTC термистор. Он должен ограничить пусковой ток конденсатора при включении в сеть. Тесты буду проводить на стенде, там уже есть трансформаторная развязка с сетью, подключаемая токоограничительная лампочка и предохранители. Когда буду отправлять этот ИБП в работу, запаяю предохранитель на место одной половины синфазного дросселя (сейчас там просто перемычки). Я знаю что синфазный дроссель в схеме не лишний, но на плате он стоял малюсенький, врядли он парой своих витков что-то серьезно фильтровал, скорее просто создавал видимость. И главное, такого типоразмера у меня в наличии нет, да и в половине китайских блоков их нет вообще. Наличие же NTC предотвращает искрение при включении и обгорание контактов вилки и розетки, на мой взгляд это важнее. Далее выпаял и проверил оптопару. Были случаи когда из-за неисправной оптопары блоки питания работали не в режиме или вообще выходили из строя. Оптопара оказалась исправной. Далее я вместо оптопары временно запаял красный светодиод и подключтил к выходу ИБП лабораторный блок питания, выставил ограничение тока (на всякий случай) и стал плавно поднимать напряжение. Когда оно достигло 19,4 В светодиод загорелся. Это говорит об исправности схемы стабилизации напряжения. 

Далее выпаиваю светодиод, запаиваю на место оптопару и приступаю к подключению ремонтного модуля. Больше ничего выпаивать с платы не понадобилось («все уже украдено до нас…»), детали обвязки микросхемы ШИМ остались на плате, они никак не будут участвовать в дальнейшей работе блока питания. 

Прикинул место где будет располагаться ремонтный модуль и укоротил провода и выводы микросхемы, торчащие с обратной стороны платы ремонтного модуля. Далее запаял по цветам в соответствии с таблицей. 

Включил через лампочку, светодиод на выходе засветился, измерение показало что на напряжение выходе 19,4 В. Выключил, потрогал элементы. Все холодное. Что ж, пришла пора немного нагрузить блок питания. В качестве нагрузки припаял к выходу автомобильную лампу на 20W. Лампа 12-вольтовая, но за непродолжительный срок и на 19В ничего с ней не случится. Включаю, 12-вольтовая лампа ярко горит. Но через секунд 30-40 начинает мигать и еще через пару секунд гаснет окончательно. Отключаю блок от сети, трогаю детали: контроллер на ремонтном модуле горячий, явно сработала Internal Thermal Shutdown Function (TSD). Диод Шотки на выходе ненормально раскален. Явно без КЗ здесь не обошлось.

Отпаиваю лампочку, меряю выход, так и есть, КЗ. Пробита одна половина сдвоенного диода. Но ведь диод 45 амперный а ток через него был небольшой, чуть больше ампера, он при таком токе и греться-то сильно не должен. И вот тут-то я начинаю вспоминать, а где я взял этот диод? А не из той ли коробочки, в которую я сбрасывал сомнительные детали, снятые с компьютерных блоков питания которые пошли на разборку? Но диод был исправен, я прозвонил его мультиметром и вставлял в электронный тестер радиокомпонентов. Все было ОК! А достаточно ли такой проверки чтобы быть полностью уверенным в исправности диода? Как насчет утечек? Как поведет он себя под нагрузкой на пульсирующих токах?  

Беру из той же коробки другой такой же сдвоенный диод с той же маркировкой (явно из той же партии), мультиметром в режиме прозвонки диодов он звонится как исправный. Выставляю мультиметр на измерение сопротивлений на предел 20КОм. Диод показывает проводимость в обе стороны, в прямом направлении 2-3 кОм, в обратном около 10-15кОм. Так быть не должно.

Если бы в контроллере не было столько всяких защит, не исключено что такая работа под нагрузкой могла бы закончиться бабахом. Плюсик ремонтному модулю!

Беру новый, заведомо исправный диод, он в обратном направлении на этом пределе измерений никак не звонится. Теперь все становится понятно. Или диоды были подуставшие, или они из бракованной партии. Запаиваю новый диод в плату ИБП и снова включаю.  

Все работает, небольшой нагрев под нагрузкой есть, но он в пределах нормы, тем более что впоследствии и микросхема ШИМ с силовым элементом, и диод Шотки будут стоять на радиаторах. Тестовый прогон показал вполне стабильную работу. Корпуса и радиаторов для данного блока питания пока нет, возможно он пойдет в качестве замены в какой-нибудь сгоревший блок питания, пока просто отложу его в сторону до лучших времен. 

Выводы: данные ремонтные модули имеют низкую цену. Они просты в установке, не требуют наладки. Имеют множество разных защит, гальванически развязаны со вторичными цепями и безопасны для оборудования. Часто они могут быть просто спасением при ремонте блоков питания какого-либо уникального оборудования.

Для себя я заказал еще пару десятков, пусть будут про запас. 

P.S. сегодня нашел вот такой интересный фирменный блок питания, тоже от ноутбука и тоже его кто-то уже пытался ремонтировать.

Часть деталей в обвязке ШИМ отсутствует, остальное все на месте.

Это явно будет следующий кандидат на внедрение ремонтного модуля.


Вот еще несколько ссылок на такие же модули: ссылка1, ссылка2.

Более мощный модуль: ссылка.

Более мощный и более универсальный модуль с подстройкой напряжения: ссылка


 

 

 

 

Возможно, вам будет интересно:

Что такое дежурка и ШИМ? Самостоятельный ремонт блока питания компьютера. | mdex-nn.ru

Неисправные блоки питания при ремонте компьютеров, как правило просто заменяют новыми. Дело в том, что стоимость ремонта компьютерных блоков питания начального уровня сопоставима, а то и превосходит покупку нового, потому и нет особого резона заморачиваться. Но бывают и исключения.

К примеру, в свободной продаже попросту не найти блоки питания для корпусов формата mini-ITX. Я уже касался этой темы когда рассказывал про большие проблемы с маленькими mini-ITX и о самостоятельный ремонте импульсного блока питания компьютера.

Прошлый ремонт такого нестандартного блока питания CFI-S150X оказался довольно простым, достаточно было заменить неисправный варистор, который выбило в результате скачка напряжения. Он прекрасно показал себя в деле, защитив блок питания компьютера от выгорания. Если слово «варистор» вам не знакомо, оправляю вас к предыдущей статье, дабы не повторяться.

В этот раз мне в руки попался блок питания POWER MAN IP-AD160-2 (используется в корпусах Inwin) и тут всё оказалось гораздо сложнее, особенно для меня, как начинающего радиолюбителя. Взялся за данный ремонт на ради денег, а чтобы попрактиковаться и прокачать собственные навыки.

Опишу проблему. При подключении блока питания к сети (всегда подключаем неисправное устройство к сети через лампочку), дежурка +5VSB стабильно показывает 5.06V, то есть как и должно быть:

Проверка дежурного напряжения 5V компьютерного блока питания

После запуска блок питания (замыкаем зелёный контакт PS-ON на общий чёрный провод) дежурка начинает «скакать» (0...3.9V). На линиях 3.3V, 5V и 12V наблюдаются аналогичные пляски, но в других диапазонах. То есть блок питания пытается запуститься и тут же уходит в защиту, и так до бесконечности. Чтобы было немного понятнее что и где мы меряем, приведу картинку с распиновкой разъёма ATX:

распиновка контактов блока питания ATX

Что такое дежурка и ШИМ?

«Дежуркой» называют дежурное питание (+5V), которое всегда присутствует на материнской плате и используется для питания схемы включения (свечение зелёного светодиода на материнской плате компьютера показывает, что на неё подаётся дежурное напряжение с блока питания).
ШИМ — это аббревиатура, обозначающая Широтно Импульсную Модуляцию. В блоке питания используется микросхема, для управления рабочими напряжениями 3.3V, 5V и 12V и там применена данная технология, поэтому на сленге её просто называют ШИМ.

В данном блоке питания используется микросхема ШИМ CM6903AG, супервизор WT7510, который следит за сигналом PS_ON и руководит включением/выключением БП, а дежурка построена на контроллере ICE3A1065LJ. Так как блок питания уже не первой свежести и в принципе работает, то подозрение пало на электролиты. Даже если они выглядят вполне нормальными (как в моём случае), это ещё ничего не значит.

В импульсных блоках питания не малую роль играет ещё такая характеристика конденсаторов, как ESR (Equivalent Series Resistance). Об этом расскажу отдельно, в одной из следующих статей, а также о новом тестере транзисторов и измерите ESR с Aliexpress.

ESR тестера у меня пока нет, потому на всякий случай заменил все электролиты основной платы на новые. Изменений никаких. Уже отчаявшись, решил посмотреть дополнительную плату, на которой собрана дежурка и заменить мелкие электролиты (они редко выходят из строя). Тут-то и выявилась причина неисправности — конденсатор на 100mF 25V, стоящий в цепи ШИМа на дополнительной плате.

Причина неисправности блока питания IP-AD160-2

Заменил его на 100mF 35V и блок питания благополучно заработал. Пока это был мой самый сложный ремонт, потому получил огромное удовольствие от самого процесса.

Конденсатор 100mF 25V

Подписывайтесь на канал Яндекс.Дзен и узнавайте первыми о новых материалах, опубликованных на сайте.

ЕСЛИ СЧИТАЕТЕ СТАТЬЮ ПОЛЕЗНОЙ,
НЕ ЛЕНИТЕСЬ СТАВИТЬ ЛАЙКИ И ДЕЛИТЬСЯ С ДРУЗЬЯМИ.
https://mdex-nn.ru/page/remont-ip-ad160-2.html

Поиск неисправностей в импульсных блоках питания

Поиск неисправностей в импульсных блоках питания

Помните, что при ремонте блока питания следует пользоваться развязывающим трансформатором.
За основу для приведения конкретных примеров, взят наиболее массовый источник питания

Посмотрим на рис.1, на котором представлена типичная схема блока питания современного ТВ. Для простоты блок питания STAND BY не показан.
Все многообразие неисправностей блоков питания сводится чаще всего к следующим дефектам:
1. Блок питания не работает, предохранители остаются целыми.
2. При включении телевизора перегорает либо сетевой предохранитель,либо предохранитель в цепи напряжения +305 V (если он есть),
3. Неисправности, проявляющиеся в занижении или завышении вторичных напряжений, причем, если первая из них связана, как правило, с короткими замыканиями в цепи нагрузки одного или нескольких вторичных напряжений, то вторая является следствием обрыва в цепи обратной связи. Обе эти неисправности в современных блоках питания, как правило, приводят к срабатыванию схем блокировки и отключению аппарата.

Итак, если блок питания не работает, а все предохранители целы, лучше всего начинать поиск неисправностей с проверки напряжения на выходе сетевого выпрямителя. Это напряжение должно составлять около +280 - 305 V, при питающем напряжении сети переменного тока равном 220 В. Кроме того, проверьте с помощью осциллографа амплитуду пульсаций этого напряжения. Если напряжение существенно ниже +305 V или вовсе отсутствует, проверьте выпрямитель сетевого напряжения. Повышенная амплитуда пульсаций указывает на неисправность основного фильтрующего конденсатора С810 (330 mF 400V) либо на обрыв диодного выпрямителя.

Если напряжение +305 V находится в пределах нормы (от 280 до 320 В), то можно приступать к тестированию ИБП. Сначала необходимо выяснить, не происходит ли блокировка блока питания сразу после включения, либо он вовсе не пытается запуститься. Это можно проверить, присоединив вход осциллографа к тому выводу мощного переключающего транзистора, который присоединен к первичной обмотке трансформатора, коллектор транзистора Q802 (2SD 1548). А землю осциллографа присоедините к “горячей земле” блока питания. Теперь включайте главный сетевой выключатель телевизора и смотрите что произойдет. Полученные данные очень помогут в поиске неисправности.

И так, если после включения телевизора здесь появится на короткое время серия импульсов, то это говорит о том, что блок питания пытается запуститься, но сразу после запуска выключается какой-либо схемой блокировки (их может быть несколько). Типичной является ситуация когда, срабатывает защита от превышения предельного значения анодного напряжения на кинескопе. Поскольку эта неисправность непосредственно связана с работой выходного каскада строчной развертки. Однако при ремонте блока питания может возникнуть необходимость убедиться в наличии или в отсутствии срабатывания этой блокировки. Убедиться в этом, а также в том, что является причиной неправильной работы блока питания. Неисправность в основном потребителе энергии, выходном каскаде строчной развертки, можно следующим способом. Необходимо, во-первых, разорвать цепь подачи питания на первичную обмотку строчного трансформатора. В рассматриваемом примере это цепь +B 115 V И, во-вторых, нагрузить источник вторичного напряжения 115V блока питания резистором 500-750 Ом мощностью 50 Вт (или, что еще удобнее, лампой накаливания 200V 100 Вт). Если при этом блок питания заработает нормально, значит, поиск неисправности следует продолжить в выходном каскаде строчной развертки, а также в схемах блокировки и защиты от недопустимых режимов.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда после включения телевизора блок питания не пытается запуститься и вообще не подает признаков жизни.

Сначала следует, обязательно убедившись в том, что блок питания не работает, измерить постоянное напряжение на коллекторе мощного переключающего транзистора (в данной схеме Q802 2SD1548). Если на коллекторе Q802 напряжения 305V нет, а на С810 (конденсаторе фильтра сетевого выпрямителя) есть, то, скорее всего, оборвана первичная обмотка импульсного трансформатора (в данной схеме обмотка 6—3 трансформатора T803). Перед заменой трансформатора необходимо выяснить, не было ли причиной этого обрыва короткое замыкание в цепи первичной обмотки, например, пробой транзистора Q802.

Если трансформатор и мощный переключательный транзистор исправны, и на коллекторе этого транзистора имеется напряжение около +300 V, но блок питания не работает, проверьте, подается ли запускающее напряжение на задающий генератор. Задающий генератор рассматриваемого нами блока питания содержится в микросхеме IC801 (TDA 4601), а элементами цепи запуска являются D805, R818 соответственно (BYD33J) (20K). Блокировка задающего генератора, возникает в некоторых схемах, при отсутствии или чрезмерных пульсациях напряжения питания ждущего режима USTAND BY, вырабатываемого отдельным блоком. В данной схеме такая ситуация возникнуть не может, поскольку основной блок питания блокируется сигналом STAND BY высокого уровня +5V однако возможны такие неисправности цепей ждущего режима, приводящие к выключению блока питания, как обрыв нагрузочного резистора R838 или неисправность ключевого транзистора Q804 (BC 547A). Исправность транзистора Q804 можно проверить путем замыкания его базы на “холодный” общий провод. Если при этом блок питания запустится, значит, неисправность в блоке управления (постоянно держится сигнал STAND BY). Если блок питания таким образом запустить не удается, и напряжение на 9 выводе IC801 всегда остается меньше + 5V, то неисправными могут оказаться либо оптрон ждущего режима DR01 (CNY75C), либо транзистор Q804 (BC 547A). Если эти элементы исправны, но блок питания, тем не менее, не запускается, придется заменить микросхему контроллера ШИМ IC801.

Теперь рассмотрим такую часто встречающуюся неисправность, как перегорание предохранителя в цепи напряжения +305 V R801 (6,2 Om) или сетевого предохранителя при включении телевизора. В этом случае в первую очередь следует проверить исправность мощного переключательного транзистора (в данной схеме Q802). В этом случае с помощью омметра проверяется наличие пробоя переходов база-эмиттер и база-коллектор, а также короткого замыкания между коллектором и эмиттером. В исправном биполярном транзисторе переходы должны вести себя как диоды.

Следует знать, что пробой мощного переключательного транзистора не обязательно бывает самопроизвольным, а часто вызывается неисправностью какого-либо другого элемента. В частности, в рассматриваемой схеме это может быть обрыв одного из элементов демпфирующей цепи C816,C818, R821, D808, L803, короткозамкнутый виток в первичной обмотке трансформатора T803, а также неисправность микросхемы IC801. Поэтому перед установкой исправного транзистора на место желательно проанализировать возможные причины его выхода из строя и провести необходимые проверки, иначе для устранения неисправности придется запастись большим количеством дорогостоящих, мощных транзисторов.

Например, неисправность IC801, приводящую к пробою мощного переключательного транзистора, можно установить, если включить блок питания без Q802. Выходных напряжений при таком включении, конечно, не будет. Но с помощью осциллографа можно проверить наличие импульсов на 8 выводе микросхемы ШИМ IC801, подаваемых на базу Q802 (напоминаем, что “земля” осциллографа должна быть присоединена в этом случае к “горячему” общему проводу блока питания!). И если импульсов нет. А есть постоянное, положительное напряжение, то IC801 придется заменить.

Основные цепи однотактного блока питания

Подводя итог вышесказанному, следует отметить, что методика поиска неисправностей в импульсных блоках питания имеет одну отличительную особенность. А именно, замена сгоревших резисторов, пробитых диодов и неисправных транзисторов не гарантирует успешного выполнения ремонта, поскольку после включения эти замененные элементы могут отказать вновь.

Пожалуй, наибольшие трудности при ремонте импульсных блоков питания, обусловлены, их способностью предохранять себя от перегрузок по напряжению и току посредством выключения. Большинство отказов элементов или изменений нагрузки приводят к полному отключению блока, давая один и тот же симптом “мертвого шасси”. Казалось бы, в этом случае остается только гадать; вызвана ли блокировка наличием слишком большого напряжения? Или выпрямленное сетевое напряжение слишком мало? Или слишком велик ток нагрузки? Или отказал какой-либо элемент в блоке питания или в предохранительных цепях? При отсутствии последовательной логической процедуры поиск неисправности в импульсном блоке питания может быть безуспешным Тем не менее, есть возможность исключить цепи блокировки и тем самым ограничить область поиска неисправности, выполнив шесть несложных проверок. Вспомним сначала, какие основные цепи присутствуют практически во всех импульсных блоках питания. Для этого обратимся к блок-схеме на рис.2

Цепь 1: Выпрямленное сетевое напряжение (около +305 V). Эта цепь содержит линейный первичный источник питания (обычно диодный мост и фильтрующий конденсатор), блок питания ждущего режима, первичную обмотку импульсного трансформатора и связанные с ней цепи, а также мощный переключательный транзистор.

Цепь 2: Генератор импульсов и цепи запуска. Эта цепь вырабатывает управляющий сигнал для переключательного транзистора. Она может быть выполнена как в виде одного транзисторного каскада, так и специализированной интегральной микросхемы контроллера ШИМ.

Цепь 3: Вторичные цепи. Вторичные цепи содержат вторичные обмотки импульсного трансформатора и компоненты (диоды, конденсаторы и т.д.), которые обеспечивают подачу энергии в нагрузки. Большинство ИБП имеют от двух до пяти нагрузок.

Цепь 4: Обратная связь и управление. Цепи обратной связи выполняют четыре функции: - стабилизацию выходных напряжений,
- контроль над высоким напряжением;
- передачу на ИБП сигналов включено
- выключено от блока управления телевизора,
- гальваническую развязку вторичных цепей от сетевого напряжения.

Далее предлагается процедура, которая после выполнения шести определенных шагов позволяет эффективно локализовать неисправность, возникшую в каждой перечисленных выше основных цепей. При поиске неисправностей в импульсных блоках питания придерживайтесь следующих правил:

— помните, что неправильный выбор общего провода при измерениях не только даст неправильные результаты, но и может привести к выходу из строя некоторых компонентов.
— “горячий” общий провод связан с первичными цепями импульсного трансформатора и используется при измерениях в цепи 1,
— “холодный” общий провод связан с вторичными цепями импульсного трансформатора и используется при измерениях в цепях 2, 3 и 4;
— при измерениях на входе оптопары (от цепей управления) используется “холодный” общий провод,
— при измерениях на выходе оптопары (на цепи задающего генератора или контроллера ШИМ) используется “горячий” общий провод;
— будьте готовы к выполнению всех необходимых измерений.
Эффективный поиск неисправностей зависит от вашей способности быстро выполнить измерения постоянных напряжений от десятых долей до 350V и различных сигналов с размахом от 2 до 800 Вис частотой от 40 до 150 Кгц,

Итак, первым шагом должна быть

Шаг 1. Проверка напряжения питания ждущего режима (STAND ВТ)

Измеряйте это напряжение на шасси, подключенном к сети через изолирующий трансформатор. Напряжение STAND BY должно иметь правильное значение. Независимо от того, работает ли блок питания, или нет (не все импульсные блоки питания снабжены отдельным источником питания STAND BY, некоторые шасси имеют для ждущего режима второй импульсный блок питания меньшего размера, в котором в качестве драйвера используется часто та же самая микросхема, что и в основном блоке питания).

Нормально работающий источник питания STAND BY отводит подозрения от многих компонентов. Например, в этом случае можно с большой вероятностью утверждать, что микросхема драйвера и контроллера ШИМ исправна, а причина, по которой она не выдает открывающие импульсы на выходной транзистор, состоит в том, что она заблокирована каким-либо внешним сигналом.

Итак, если напряжение STAND BY нормальное, а блок питания не подает признаков жизни, переходим к шагу 2.

Шаг 2. Замена основной нагрузки

Важным шагом при ремонте ИБП является отключение выхода блока питания от цепей-потребителей вторичных, напряжений. Это поможет выяснить, выключается ли блок питания из-за внутренней неисправности, или это происходит под влиянием какой-либо внешней причины. Внешние блокирующие сигналы появляются при коротких замыканиях в нагрузках, и при срабатывании цепей защиты от перенапряжения, при неправильной работе выходных каскадов строчной и кадровой разверток, а также при неисправностях самих цепей блокировки.

Большинство ИБП не могут работать без надлежащей нагрузки, поэтому просто отсоединить все потребители энергии нельзя. Вместо отсоединенных нагрузок необходимо подключить резистивный эквивалент (хотя бы один вместо всех), Подходящим эквивалентом нагрузки является лампа накаливания, которая ограничивает до безопасного уровня потребляемый по данной вторичной цепи ток и наглядно демонстрирует наличие в этой цепи напряжения. Мощность и рабочее напряжение лампы нагрузки, соответствует эквиваленту нагрузки. Например, если в цепь питания выходного каскада строчной развертки подается вторичное напряжение +115 V, то в качестве эквивалента подходит стандартная лампа 100 Вт 220 V, а цепь 15 V следует нагружать на 18-вольтовую лампу мощностью 10 Вт.

Вы должны разорвать цепь питания выходного каскада строчной развертки, чтобы удалить нормальную нагрузку. Убедитесь, что разрыв цепи сделан таким образом, чтобы делитель напряжения цепи обратной связи остался присоединенным к шине питания, как это показано на рис. 3

Удаление выходного строчного транзистора разрывает цепь питания, однако не пытайтесь подключить лампу-эквивалент вместо удаленного транзистора! Первичная обмотка строчного трансформатора не рассчитана на пропускание постоянного тока, поэтому присоединяйте лампу так, как это показано на рис.3.

Когда после замены реальной нагрузки эквивалентом вы включите блок питания, возможна одна из четырех перечисленных ниже ситуаций.

-Лампа светится. Это показывает нормальную работу ИБП. Неисправность, по причине которой ИБП блокируется, находится во внешних цепях. Это может быть короткое замыкание, слишком высокое напряжение на кинескопе или неисправность цепей блокировки и защиты.
-Лампа не светится, (блок питания не запускается).
-Лампа вспыхивает, но сразу гаснет, (блок питания запускается, но сразу блокируется),
-Лампа светится слишком ярко (отсутствует стабилизация выходного напряжения).

Последние три ситуации показывают, что неисправность необходимо искать в самом блоке питания, для чего выполняем шаг 3.

Шаг 3. Отключение сигнала управления от мощного транзистора

Разорвите цепь подачи сигнала управления на базу мощного переключательного транзистора. Для этого достаточно отпаять какой-либо элемент, включенный последовательно в эту цепь. Это позволит вам искать неисправность в блоке питания, включенном в сеть, без риска получить какую-либо перегрузку, поскольку никаких выходных напряжений в этом случае производиться не будет. Например, можно будет перейти к шагу 4.

Шаг 4. Проверка цепи 1

Цепь I включает в себя элементы, пропускающие ток от выхода линейного источника питания — шины выпрямленного сетевого напряжения +305 V - эмиттера переключающего транзистора Проверку цепи 1 удобно проводить с использованием регулируемого автотрансформатора и осциллографа, настроенного на измерение постоянного напряжения. Присоедините вход осциллографа к коллектору, переключательного транзистора и постепенно увеличивайте переменное напряжение, подаваемое на вход ИБП, от нуля до номинального значения 220 В. При этом может наблюдаться низкий ток потребления, нормальное напряжение (около +305V при сетевом напряжении 220 В). Это показывает, что источник выпрямленного сетевого напряжения исправен, однако с элементами цепи 1 возможны проблемы. Начинайте с проверки мощного переключающего транзистора. Проверьте также резисторы и если вы полагаете, что резисторы изменили свое сопротивление, замените их заведомо исправными.

Выпрямленное напряжение и ток, потребляемый от сети 220V равны нулю. Такая ситуация возникает при обрыве в цепи +305 V. Проверьте предохранители, защитные резисторы, диоды выпрямительного моста и первичную обмотку импульсного трансформатора. Перед заменой исправных элементов, выясните, не была ли причиной их обрыва токовая перегрузка, например, вследствие пробоя переключательного транзистора или какого-либо другого элемента.

Выпрямленное напряжение равно нулю или мало при повышенном токе потребления от сети 220 В. Такие симптомы возникают при коротком замыкании в цепи 1 либо в самом источнике выпрямленного сетевого напряжения. Проверьте, не пробит ли переключающий транзистор, диоды выпрямителя, конденсатор фильтра. Проверьте также импульсный трансформатор на короткозамкнутые витки и на замыкание между обмотками.

Если короткое замыкание в цепи 1 не обнаружено, переходим к шагу 5.

Шаг 5. Проверка цепей задающего генератора

Во-первых, убедитесь, что на микросхему задающего генератора поступает запускающее напряжение. В большинстве ИБП запускающее напряжение формируется резистивным делителем. Включенным в цепь выпрямленного сетевого напряжения +305 V. Проверка запускающего напряжения, должна быть обязательно проведена до проверки задающего генератора поскольку присоединение пробника осциллографа к контрольной точке выхода задающего генератора может послужить толчком к его запуску. Блок питания в этом случае заработает, а после выключения и последующего включения вновь не запустится, и причина его неисправности останется невыясненной.

Во-вторых, тщательно проверьте с помощью осциллографа все параметры выходного сигнала задающего генератора: размах, частоту, уровень постоянной составляющей. Вход осциллографа должен быть присоединен к специальной контрольной точке выхода задающего генератора, а не к тому выходу, который управляет переключательным транзистором. Управляющий сигнал на переключательный транзистор может не поступать, если микросхема контроллера блокирована каким-либо внешним сигналом. Если частота сигнала более чем на 10% выше номинальной, или если на осциллограмме наблюдаются шумовые всплески и регулярные выбросы, то микросхему задающего генератора придется заменить.

Проверив исправность микросхемы задающего генератора и контроллера ШИМ, переходим к шагу 6.

Шаг 6. Динамический контроль цепи 4

Эта процедура позволяет проверить, правильно ли работают элементы обратной связи и управления, входящие в цепь 4 блок-схемы (рис.2.) Неисправности в этой цепи часто вызываются отказами транзисторов, отключающими всю петлю обратной связи, Динамический контроль цепи 4 способствует эффективному и быстрому выявлению и устранению этих проблем.

Для выполнения этой проверки вам понадобится внешний регулируемый источник питания постоянного тока, способный выдавать напряжение, равное вторичному напряжению, поступающему для питания выходного каскада строчной развертки (в нашем примере +115 В). Выход этого источника подключается к шине вторичного напряжения так, как это показано на рис. 4, а затем с помощью измерительных приборов исследуется реакция элементов цепи 4 на изменения напряжения на шине +115.
1. Отсоедините эквивалент нагрузки (лампу накаливания) от шины +115 V.
2. Присоедините выход внешнего источника питания к тому месту, где был отсоединен эквивалент.
3.Присоедините вход осциллографа или вольтметра постоянного тока к управляющему входу контроллера ШИМ (выходу оптопары).
4. Установите напряжение сети 220V и включите телевизор.
5. Изменяйте напряжение внешнего источника питания от+100V до номинального значения +110V и далее до +115, наблюдая при этом изменение напряжения на выходе оптопары.

Если цепь обратной связи работает нормально, то увеличение напряжения внешнего источника сопровождается увеличением напряжения на выходе оптопары. Типичной является ситуация, когда на 1 вольт изменения напряжения +B приходится 0,1 V изменения напряжения на коллекторе фототранзистора оптопары. Если напряжение остается постоянным, то в первую очередь следует проверить: Исправность оптопары (помните при выполнении измерений о правильном выборе “горячего” и “холодного” общего провода!), В дальнейшем необходимо проверить остальные элементы цепи обратной связи и управления, включая те, которые передают сигналы вкл/выкл от микропроцессора и сигналы блокировки от различных устройств защиты. Часто отказывают электролитические конденсаторы, которые должны быть проверены на обрыв, утечку и потерю емкости.

В заключение следует отметить, что многие элементы в ИБП работают в условиях больших токов и напряжений на сравнительно высоких частотах, и поэтому их надежность имеет значение, для безопасной эксплуатации телеприемника. В связи с этим производите их замену при необходимости только на те элементы, которые

указаных в перечне элементов фирмы-производителя.

В статье нумерация элементов взята из принципиальной схемы телевизоров цветного изображения альбома №5 страница 104-105. А основная схема (рис. 1) взята из пособия по ремонту импульсных источников питания (Автор Ю.И. Фомичев “Источники питания с устройствами управления на ИМС”). Напряжение вторичного источника питания +B по принципиальной схеме равно 147V.

22 сентября 2001 года С.В. Давыдов

Сайт Кравченко К.В.

Импульсные источники питания.

<<< Назад   Титульный   Глава 2 >>>

Сайт Кравченко К.В.: www.kkbweb.narod.ru

E-mail: [email protected]

 

Казалось бы, что еще надо? Проще не придумаешь! Трансформатор, мостовой выпрямитель и фильтр – все просто и понятно. Так нет, напридумывали всяких импульсных блоков питания, ломай себе голову! Каждая уважающая себя фирма лепит свои блоки, по своим схемам, а бедный владелец думай как хочешь – самому ремонтировать сильно сложно и непонятно, а в мастерской сдерут три шкуры!

 

Так вот, я хочу сказать, что ничего особо сложного в импульсных блоках питания нет. Да, ИБП сложнее, чем обычные блоки питания. Но это потому, что к функциям ИБП относятся не только получение питающих напряжений, но и стабилизация их величин, а также защита самого ИБП и каскадов, которые от него питаются, от различных неприятностей.

Если вы немного знаете радиотехнику, знаете, как работает обычный блок питания, то эта статья для вас. Ну, начнем!

Первоначальное распространение ИБП получили преимущественно в телевизионных приемниках, в дальнейшем — в видеомагнитофонах 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) мощности, потребляемой в нагрузке. 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 не более нескольких единиц Ватт. Для примера, в стереофоническом усилителе с выходной мощностью 2 х 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 микроминиатюризацию элементной базы; повышение надежности ИБП (в том числе путем введения различных защит) и расширение рабочего диапазона питающего их напряжения сети.

Сердце импульсных источников питания - автогенератор

Несмотря на большое разнообразие схем ИБП принцип работы большинства их одинаков. Выпрямленное напряжение сети питает однотактный автогенератор, нагрузкой которого является импульсный трансформатор со вторичными выпрямителями, от которых питаются все потребители. Автогенератор выполнен по схеме с глубокой индуктивной положительной обратной связью. Транзистор автогенератора работает в ключевом режиме. Когда транзистор открыт, происходит накопление энергии в импульсном трансформаторе, когда закрыт – энергия отдается в нагрузку.

На рис. 1 показана схема собственно автогенератора. 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 Iк, и, соответственно, через коллекторную обмотку трансформатора Iтр (см. рис.1а,б,в). 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 D1 будет заперт и не будет мешать, а с обмотки II «плюс» окажется приложен к базе ключа и вызовет появление дополнительного напряжения, что в свою очередь вызовет увеличение тока коллектора ключа. А увеличение тока коллектора и обмотки I вызовет увеличение напряжения на базе и так далее, то есть, произойдет лавинообразное нарастание тока коллектора. Это нарастание будет происходить, пока транзистор не войдет в режим насыщения. Это такой режим, когда транзистор физически не может пропустить больший ток. Нарастание тока прекращается. Напряжение взаимоиндукции становится равным нулю так как изменения тока через обмотку I больше не происходит, то есть на обмотках II и III напряжение исчезает. Вызвавшее такой ток коллектора напряжение на базе резко уменьшается. И ток коллектора становится небольшим. Но ток в обмотке I из-за инерционности индуктивности обмотки мгновенно уменьшиться не может. В обмотке накопилась энергия и, чтобы ток стал равным нулю, нужно эту энергию израсходовать. Ток обмотки начинает плавно уменьшаться. Так как нарастание тока и его убывание процессы противоположные, то произойдет переполюсовка ЭДС индукции, которая теперь будет направлена противоположно ЭДС при нарастании тока обмотки. При этом на обмотке возникнет импульс напряжения, который приложен «плюсом» к коллектору транзистора, а «минусом» - к «плюсу» источника питания. В результате между коллектором и эмиттером ключа возникнет импульс напряжения 500-600 В. Появление ЭДС индукции вызовет появление напряжений взаимоиндукции в обмотках II и III также другой полярности. При этом напряжение «минус» с обмотки обратной связи II надежно закроет ключ, а напряжение «плюс» с обмотки III откроет диод D1 и начнет заряжаться конденсатор C2 (см. рис.1г). Чем больше ток заряда, то есть чем быстрее израсходуется энергия трансформатора, тем быстрее процесс повторится.

Сложно? Сначала, может быть, да. Вникните, почитайте школьный учебник про свойства индуктивности. Разберитесь. Остальное будет проще!

Продолжим. Итак, сердцем импульсного блока питания является автогенератор. Причем, любого. Обязательными элементами его являются импульсный трансформатор и транзистор – ключ. Вторичных обмоток у трансформатора может быть несколько – это не имеет значения. Обязательной является обмотка обратной связи.

Подавляющее большинство ИБП выполняется по схеме, где функции генерации, управления и стабилизации напряжений вторичных источников питания 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 перенесена из вторичных обмоток трансформатора в первичную обмотку, где значения токов уменьшены на коэффициент, равный коэффициенту трансформации. 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 фильтров и можно обойтись без дросселей. Поэтому при тех же параметрах блока питания габариты ИБП в десятки раз меньше габаритов обычного 50 – герцового блока питания.

Функциональная схема ИБП

Разбирая упрощенную функциональную схему ИБП, представленную на рис.2, кое в чем повторюсь

. Ее основными функциональными узлами являются сетевой выпрямитель Р со сглаживающим емкостным фильтром Сф, ключевой преобразователь напряжения (автогенератор) с импульсным трансформатором, устройство управления (контроллер) с цепью обратной связи и вторичный выпрямитель импульсных напряжений VD1, С1.

 Рис 2

Напряжение сети 220 В поступает на выпрямитель Р со сглаживающим емкостным фильтром Сф. С конденсатора фильтра Сф выпрямленное напряжение через обмотку W1 трансформатора Т поступает на коллектор транзистора VT, выполняющего функций ключевого преобразователя постоянного напряжения в импульсное с частотой повторения 15-100 кГц. Ключевой преобразователь представляет собой импульсный генератор, работающий в режиме самовозбуждения. На рис. 3 приведены временные диаграммы преобразователя. В течение времени ∆Т, когда транзистор открыт, через первичную обмотку W1 трансформатора протекает линейно нарастающий ток Iк. В сердечнике трансформатора запасается энергия магнитного поля.

 Когда транзистор закрывается, на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора W2 появляется положительный потенциал и накопленная энергия передается в нагрузку через диод VD1. В стационарном режиме напряжение на выходе

 где n == W1/W2 — коэффициент трансформации.

Изменяя ∆Т, т. е. время, в течение которого открыт транзистор преобразователя, можно регулировать выходное напряжение. Размахи импульсов тока через транзистор и диод зависят 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.

 Рис. 3

Изменять ∆Т можно разными способами. Наиболее подходящий способ регулирования величины выходного напряжения – широтно-импульсная модуляция. Принцип ШИМ заключается в регулировании времени, в течение которого ключевой транзистор открыт, при этом происходит регулировка количества накопленной трансформатором энергии. Основные достоинства ШИМ – постоянство периода повторений Т и простота реализации. Поэтому ШИМ применяют практически во всех конструкциях ИБП. По этой причине другие способы регулировки мы рассматривать не будем.

Более подробная функциональная схема приведена на рис. 4.

 Рис 4

Рассмотрим случай, когда в установившемся режиме ток нагрузки увеличился. Это означает, что энергия, запасенная трансформатором будет расходоваться быстрее, чем обычно, т.е. время закрытого состояния ключа уменьшится. А для увеличения накопленной энергии нужно увеличить время открытого состояния ключа, чтобы в трансформаторе накопилось больше энергии. В результате общее время Т = const. Аналогично при уменьшении тока нагрузки.

Устройство управления  ключевым транзистором называется контроллером (ударение на второе «о»), в данном случае – ШИМ-контроллером. Вообще под ШИМ-контроллером подразумевают все устройство управления, включая элементы запуска и защиты, так как они являются неотъемлемой частью схемы ИБП и используют часто одни и те же элементы схемы.

Схема любого импульсного блока питания состоит из следующих узлов: схемы запуска, схемы управления, схемы управления ключевым транзистором (исполнительное устройство) и схем защиты, которых в устройстве может быть несколько. Разберем по порядку свойства каждого узла.

 

Схемы запуска.

Необходимость схемы запуска вызвана тем, что при включении ИБП самовозбуждение автогенератора невозможно, так как разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей представляют собой короткое замыкание для импульсов, снимаемых с вторичных обмоток трансформатора. Пусковые токи могут достигать 50... 100 А, что создает аварийный режим работы для автогенератора.

Устройство запуска обеспечивает принудительное включение и выключение автогенератора в течение нескольких циклов, за время действия которых происходит заряд конденсаторов фильтров импульсных выпрямителей. Одновременно это исключает возможность возникновения аварийной ситуации, так как автогенератор плавно, постепенно выходит на номинальный режим.

В импортных схемах наибольшее распространение нашли схемы подачи начального открывающего смещения на ключ. В момент подачи питания через резисторы Rсм от «+» сетевого выпрямителя на базу ключа подается начальное смещение, достаточное для создания начального тока через ключ. За счет обмотки обратной связи происходит нарастание тока через ключ до насыщения, при этом диоды вторичных выпрямителей заперты и не мешают процессу. Как только ключ входит в режим насыщения, нарастание тока прекращается, напряжение на базе ключа становится равным начальному, коллекторный ток ключа резко уменьшается, что приводит к изменению полярности на обмотках трансформатора, в том числе появляется минус на выводе обмотки обратной связи, подключенной к базе ключа, ключ закрывается, диоды импульсных выпрямителей открываются и энергия, накопленная трансформатором, через диоды переходит в разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей. Так как конденсаторы представляют собой в этот момент короткое замыкание, то энергия трансформатора убывает очень быстро. После нескольких циклов заряда конденсаторов автогенератор переходит в нормальный режим и больше схема 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 схем запуска ИБП. Одна из них – генератор, собранный на однопереходном транзисторе КТ117. В течение некоторого времени, задаваемого схемой и достаточного для надежного запуска автогенератора, генератор на КТ117 генерирует импульсы, которые подаются на базу ключа как начальное смещение 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.

 

Схемы управления.

На схемы управления возлагается функция отслеживания уровня выходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственного управления ключом. Обычно схема управления представляет собой схему сравнения реального выходного напряжения и образцового, выработанный сигнал ошибки подается на исполнительную схему, управляющую непосредственно ключевым транзистором (см. рис. 5).

 Рис. 5

Несмотря на кажущуюся сложность функциональной схемы устройства управления сама схема не сложна и работа ее для понимания труда не представляет.

Схема управления питается от одной из обмоток трансформатора, поэтому напряжение питания на ней всегда соответствует напряжению на других обмотках, т.е. реальному. Пока автогенератор не вошел в нормальный режим, напряжение питания мало и транзистор закрыт. По мере увеличения напряжения питания на стабилитроне появляется образцовое напряжение и затем транзистор начинает открываться. В рабочем режиме на выходе присутствует положительное напряжение, которое подается на исполнительную схему. Понятно, что при изменении реального напряжения напряжение, подаваемое на исполнительное устройство, также будет изменяться, изменяя условия работы исполнительного устройства. Исполнительное устройство представляет собой либо ключевую схему, срабатывающую при достижении импульсом тока коллектора силового ключа определенной величины, либо схему, шунтирующую переход база-эмиттер того же силового ключа при достижении определенного уровня напряжения на базе.

 Рис. 6

На рис. 6 приведены эпюры, поясняющие работу устройства управления при ШИМ-модуляции. По ним видно, как изменение реального напряжения и вместе с ним сигнала ошибки влияет на ширину импульса, вырабатываемого ключевым транзистором. Меандр Uзг – работа автогенератора без управления. При работе с управлением напряжение ошибки Uош воздействует на исполнительное устройство совместно с напряжением обратной связи Uп, меняя порог его срабатывания. В результате при изменении тока нагрузки изменяется ширина импульсов, вырабатываемых ключевым транзистором.

Схемы защиты.

Сложность того или иного ИБП зависит, в основном, от примененных схем защиты. В дешевых моделях ИБП используются простейшие виды защит. Вообще защитные устройства можно разделить на следующие типы по функциям: защитные устройства всего ИБП, сетевого выпрямителя, от большого напряжения сети, от 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 оборачивается уменьшением их надежности, так как увеличивается число элементов схем, ухудшением ремонтопригодности и, значит, увеличением стоимости ремонта. А так как защиты встраиваются непосредственно в ИБП, то и выход из строя элементов защиты также приводят к выходу из строя и элементы самого ИБП.

Простейшим защитным элементом является предохранитель. В любом устройстве он ставится на входе питания сетевым напряжением. Предохранитель является инерционным элементом, поэтому он не защищает ни ключевой транзистор ИБП, ни его элементы. Назначение предохранителя – защита диодов выпрямителя при пробое ключа или конденсатора сетевого фильтра, а также размагничивающего устройства при неисправности позистора.

Следующий защитный элемент – защитный резистор, который выполняет две функции. Первая – ограничивает мгновенный ток через схему, на входе которой он стоит. И вторая – выполняет функции предохранителя. Как и предохранитель защитный резистор – инерционный элемент. Он перегорает по факту превышения среднего тока через него. Если защитный резистор стоит в сетевой части ИБП, то он защищает сетевой выпрямитель при пробитом ключе или конденсаторе сетевого фильтра, если он стоит перед выпрямительными диодами вторичных выпрямителей, то защищает весь ИБП от перегрузки.

Часто во вторичных выпрямителях применяют защитные диоды. На схемах они обозначаются как стабилитроны, но это не так. Когда на защитном диоде напряжение меньше порога срабатывания, он не потребляет тока и не мешает работе. При появлении на таком «стабилитроне» напряжения, на которое он рассчитан (например, R2M, который ставится для защиты выходного каскада строчной развертки, рассчитан на 150 В), «стабилитрон» пробивается, становится коротким замыканием для ИБП, который выключается. ИБП, в котором применяются такие «стабилитроны», должны иметь защиту от перегрузок. А напряжение на защитном диоде может повыситься из-за резких скачков сетевого напряжения, мощной импульсной помехи в сети, неисправности самого ИБП. Таким образом, защитный диод защищает устройства, стоящие в данной цепи питания, например, выходной каскад строчной развертки. Защитный диод не восстанавливается и после срабатывания подлежит замене, но ни в коем случае не на обычный стабилитрон!

Остальные устройства защиты представляют собой схемы, 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, следящими за состоянием цепей вторичных источников питания и даже исправность 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.

 

Ну что? Очень сложно? Если вы хоть что-то поняли, переходите во вторую главу статьи, где мы разберем конкретные схемы ИБП.

 

Начало документа

<<< Назад   Титульный   Глава 2 >>>

ККВ        Страница создана 17.02.2004 г.

© 2002-2003г. Кравченко Кирилл Васильевич (ККВ)

Блок питания с широтно-импульсной модуляцией

Блок питания PWM

Источники питания с широтно-импульсной модуляцией (PWM) - это разновидность импульсных источников питания. Широтно-импульсная модуляция обычно используется для регулирования напряжения в импульсном блоке питания . Это необходимо, когда текущая нагрузка на блок питания или напряжение питания системы зарядки непостоянны. В стандартном импульсном источнике питания (без ШИМ) каждые первичных обмоток трансформатора приводятся в действие прямоугольной волной с коэффициентом заполнения 50% (фактически немного меньше 50%) независимо от тока, потребляемого во вторичной обмотке или напряжение питания.В источнике питания с широтно-импульсной модуляцией рабочий цикл может варьироваться от примерно 1% до 50% (хотя обычно это не такой широкий диапазон). На приведенной ниже диаграмме показано, как выглядит напряжение возбуждения транзистора от управляющей микросхемы в течение двух полных циклов.

Обратите внимание, что указанный рабочий цикл предназначен для ОДНОЙ из ДВУХ половин первичной обмотки (первичная обмотка также может считаться одной первичной обмоткой с центральным ответвлением). При полной мощности будет только ОЧЕНЬ небольшой период времени, в течение которого одна или другая обмотка не будет работать.Большинство управляющих микросхем (например, TL594, TL598, SG3525 ...) допускают небольшое «мертвое время», когда ни один из управляющих транзисторов не включен.

Регулировка:
Вы должны помнить (со страницы трансформатора), что выходное (вторичное) напряжение может «проседать» (из-за потерь в меди и сердечнике), когда ток поступает из вторичных обмоток трансформатора. Электронное устройство, такое как усилитель, может работать должным образом только тогда, когда вторичное напряжение (напряжение шины) очень близко к заданному значению.Как вы уже знаете, ток, потребляемый усилителем, может составлять всего один или два усилителя, когда усилитель находится в режиме ожидания (выходная мощность мала или отсутствует), или может быть значительным при очень высокой выходной мощности. В стандартном импульсном блоке питания это может вызвать сильные колебания вторичного напряжения. Как вы уже знаете, вы можете увеличить соотношение (первичное к вторичному), чтобы увеличить вторичное напряжение. Хотя это предотвратит падение напряжения на ниже в определенной точке, это может (при некоторых условиях) привести к тому, что вторичное напряжение превысит безопасное рабочее напряжение некоторых электронных компонентов (транзисторов, конденсаторов)...). Во многих электронных схемах диапазон напряжения должен оставаться в пределах 3-5%. В PWMPS трансформатор намотан с коэффициентом выше, чем необходимо. Но ... как и в операционных усилителях, здесь есть цепь обратной связи. Используя контур обратной связи, управляющая микросхема сокращает рабочий цикл настолько, насколько это необходимо, чтобы предотвратить состояние перенапряжения. Когда потребление тока увеличивается, рабочий цикл увеличивается, чтобы поддерживать надлежащее выходное напряжение. Это позволяет ему поддерживать надлежащее выходное напряжение в широком диапазоне ситуаций, связанных с потреблением тока.Это также позволяет источнику питания вырабатывать постоянное напряжение шины с относительно широким диапазоном входного напряжения от системы зарядки транспортного средства.

Регулируемые усилители и нерегулируемые усилители:
В усилителях с высокой степенью стабилизации используются импульсные источники питания с ШИМ. Нерегулируемые усилители не используют широтно-импульсную модуляцию для поддержания постоянного напряжения на шине. Это не обязательно делает один дизайн лучше другого. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки.Прочтите эту страницу, если хотите узнать больше о двух разных дизайнах.

Мощность: широтно-импульсная модуляция | Electronic Design

Суперконденсаторы широко используются для хранения энергии и часто используются для сбора урожая. Однако их физическая жесткость делает их менее желательным вариантом для многих подобных ситуаций, особенно тех, в которых движение тела используется в качестве источника энергии. Среди ограничений обычных микро-суперконденсаторов с их многослойной геометрией, расположенной в стопке, являются низкая гибкость, большие расстояния диффузии ионов и сложный процесс интеграции в сочетании с носимой электроникой.

Теперь исследовательская группа, базирующаяся в Университете штата Пенсильвания (штат Пенсильвания), вместе с членами из Университета Миньцзян и Университета Нанкина (оба в Китае) разработала и протестировала массивы планарных микро-суперконденсаторов (MSCA) (рис. 1) . Они основаны на гибридных электродах с использованием ультратонких нанолистов цинк-люминофор (Zn 3 P 2 ), закрепленных на трехмерных лазерно-индуцированных графеновых пенах (ZnP @ LIG), которые организованы в архитектуру устройства островного моста. MSCA могут дополнять или заменять литий-ионные батареи в носимых устройствах из-за их небольшого размера, высокой плотности мощности и способности быстро заряжаться и разряжаться.

1. Эти массивы микроконденсаторов (MSCA) могут обеспечивать накопление энергии, а также гибкость и растяжимость. (Источник: Государственный университет Пенсильвании)

Под руководством профессора Хуанью «Ларри» Ченга команда исследовала альтернативные архитектуры устройств и процессы интеграции, чтобы улучшить использование микроконденсаторов в носимых устройствах. Они обнаружили, что расположение ячеек микро-суперконденсаторов в виде змеевика, остров-мост позволяет конфигурации растягиваться и изгибаться в мостах, уменьшая при этом деформацию микро-суперконденсаторов (островков).Отсюда и обозначение как массивы микро-суперконденсаторов.

Проф. Ченг отметил: «Благодаря использованию конструкции островного моста при соединении ячеек, массивы микроконденсаторов продемонстрировали повышенную растяжимость и позволили регулировать выходное напряжение. Это позволяет обратимо растянуть систему до 100% ».

Используя однослойные ультратонкие нанолисты цинк-фосфор и трехмерную лазерно-индуцированную графеновую пену - высокопористый самонагревающийся наноматериал - для создания конструкции ячеек с островным мостом, Ченг и его команда добились значительных улучшений. по электропроводности и количеству поглощенных заряженных ионов.

Номера MSCA рассказывают историю: гибридные электроды с большой удельной поверхностью демонстрируют отличную ионную и электрическую проводимость, с гравиметрической и площадной емкостью 1425 Ф / грамм и 7,125 Ф / см. 2 при 1 А / грамм, соответственно. . Кроме того, они достигли высокой плотности энергии 245 мВт-час / см 2 наряду с удельной мощностью 12,50 мВт / кг при 145 мВт-час / см 2 . Они регулировали и контролировали номинальные значения выходного напряжения и тока по мере необходимости путем изменения последовательного и параллельного подключения ячеек MSCA в рамках конструкции островного моста.

Одни только основные цифры MSCA - это только часть истории. Команда объединила растяжимые MSCA с «смятым» трибоэлектрическим наногенератором на основе Au (TENG) и растягивающимся датчиком деформации на основе смятого графена, чтобы продемонстрировать автономную, собирающую энергию растягиваемую систему (рис. 2) .

2. MSCA (в центре) соединены с трибоэлектрическим наногенератором (слева) и датчиком деформации на основе графена (справа). Ключевые характеристики эффективности показаны под каждым сегментом.

Эти MSCA с регулируемыми выходами напряжения / тока могут быть обратимо растянуты до 100% и интегрированы с TENG и датчиками, чтобы создать жизнеспособное решение для растягиваемой системы с автономным питанием. Подробности изложены в их статье, опубликованной в Nano Energy с грозным названием: «Высокоэнергетические универсальные растягиваемые микроконденсаторы на основе трехмерных лазерно-индуцированных графеновых пен, украшенных мезопористыми нанолистами ZnP для автономных растягиваемых систем. . »

Принцип импульсного источника питания

Введение

Это видео показывает нам, как работает импульсный источник питания, на схемах, объяснениях, примерах и модификациях.


Каталог


Принцип импульсного источника питания

1.1 Базовый Принцип импульсного источника питания

Импульсный источник питания - это источник питания, в котором используются современные технологии силовой электроники для управления коэффициентом включения и время выключения переключающего транзистора для поддержания стабильного выходного напряжения. Простая конструкция показана на рисунке 1.

Рисунок 1 . B asic C ircuit of Switching P ower S подача

Коммутационный транзистор VT включен последовательно между входным напряжением VI и выходным напряжением Vo. Когда база транзистора VT вводит импульсный сигнал переключения, VT периодически переключается, то есть поочередно включается и выключается.Предполагая, что VT является идеальным переключателем, падение напряжения между базой и эмиттером приблизительно равно нулю, когда VT насыщен, и входное напряжение Vi подается на выход через VT; Напротив, в то время, когда VT отключен, выход равен нулю. После периодического переключения VT импульсное напряжение получается на выходе, а среднее напряжение постоянного тока получается схемой фильтра. Выходное напряжение указано в формуле 1:

.

(1)

T на - время включения, T - период переключения, а D - рабочий цикл.Можно видеть, что импульсный регулируемый источник питания может управлять значением выходного постоянного напряжения, изменяя рабочий цикл импульса переключения, то есть время включения.

1.2 Рабочий процесс импульсного источника питания

Импульсный источник питания обычно состоит из шести частей, как показано на рисунке 2.

Первая часть - это входная цепь, которая содержит фильтрацию нижних частот и одноступенчатое выпрямление. Vi получается после того, как переменное напряжение 220 В проходит низкочастотную фильтрацию и мостовое выпрямление.Это напряжение отправляется во вторую часть для коррекции коэффициента мощности. Цель - улучшить коэффициент мощности. Форма должна поддерживать входной ток в фазе с входным напряжением.

Третья часть - это преобразователь мощности, который завершается электронным переключателем и высокочастотным трансформатором. Он преобразует постоянное напряжение с высоким коэффициентом мощности в высокочастотное импульсное напряжение прямоугольной формы, которое соответствует проектным требованиям. Четвертая часть - это выходная цепь, которая используется для выпрямления и фильтрации высокочастотного прямоугольного импульсного напряжения на выходе постоянного напряжения.Пятая часть - это схема управления. После разделения и выборки выходного напряжения оно сравнивается с опорным напряжением схемы и усиливается.

Шестая часть - это генератор частотных колебаний, который генерирует сигнал высокочастотного диапазона волн, который накладывается на управляющий сигнал для выполнения широтно-импульсной модуляции для достижения регулируемой ширины импульса. При высокочастотном колебании происходит преобразование мощности, поэтому суть импульсного источника питания заключается в преобразовании мощности.

Рис. 2. Принципиальная блок-схема импульсного источника питания

1.3 Метод модуляции импульсного источника питания

Методы модуляции импульсного источника питания в основном включают три типа: PWM, PFM и PSM. Частота переключения режима широтно-импульсной модуляции (ШИМ) постоянна. Изменяя ширину импульса включения для изменения рабочего цикла, достигается управление выходной энергией, что называется расширением фиксированной частоты; Ширина импульса режима частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) постоянна.Регулируя частоту переключения, коэффициент заполнения изменяется таким образом, чтобы реализовать управление выходной энергией, что называется модуляцией с фиксированной шириной; ширина импульса в режиме модуляции с пропуском импульсов является постоянной, а выходная энергия регулируется выборочно с пропуском определенных рабочих циклов.

1.3.1 Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Режим модуляции PWM - это наиболее часто используемый метод управления в импульсном источнике питания. Сигнал обратной связи на стороне нагрузки сравнивается с пилообразной волной, генерируемой внутри, и выходной прямоугольный сигнал с постоянной частотой расширяется для управления трубкой переключателя, а время включения трубки переключателя регулируется в реальном времени в соответствии с состояние нагрузки для стабилизации выходного напряжения.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 3.

Рисунок 3. W orking P Принцип действия D iagram из PWM

В настоящее время режим управления ШИМ является наиболее часто используемым в импульсных источниках питания и имеет следующие преимущества: высокий КПД в случае большой нагрузки, хорошая скорость регулировки напряжения, высокая линейность, небольшая пульсация на выходе и пригодность. для режима контроля тока или напряжения.Но он также имеет следующие недостатки: слабая модуляция входного напряжения, плохие частотные характеристики и снижение КПД при небольшой нагрузке.

1.3.2 Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)

PFM - это метод модуляции, часто используемый в импульсных источниках питания. Сравнивая сигнал обратной связи конца нагрузки с опорным сигналом, выходной сигнал ошибки регулирует рабочую частоту, а затем выводит прямоугольный сигнал постоянной ширины и переменной частоты для управления трубкой переключателя и регулирует время включения трубка переключателя в реальном времени в соответствии с условиями нагрузки, тем самым стабилизируя выходное напряжение.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 4.

Рисунок 4 . Принцип работы PFM

1.3.3 Пропуск импульса Модуляция n (PSM)

PSM - это новый метод управления импульсными источниками питания, который называется импульсной перекрестно-цикличной модуляцией. Сигнал обратной связи конца нагрузки преобразуется в цифровой уровень, и уровень сигнала обратной связи определяется по нарастающему фронту тактового сигнала, чтобы определить, работать ли в тактовом цикле, а время включения трубки переключателя регулируется для стабилизации. выходное напряжение.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Принцип работы PSM

В настоящее время режим управления PSM используется для импульсных источников питания и имеет следующие преимущества: высокая скорость при небольшой нагрузке, высокая рабочая частота, хорошие частотные характеристики и меньшая частота переключения силовых трубок, подходящая для небольших ИС управления питанием. Однако он также имеет следующие недостатки: большая пульсация на выходе и слабая возможность регулировки входного напряжения.

1.4 Метод управления импульсным источником питания

Импульсные источники питания, которые мы обычно используем, основаны на режиме ШИМ, поэтому мы сосредоточимся на технологии управления в режиме ШИМ. Существует два основных типа технологии управления ШИМ: один - это технология управления ШИМ в режиме напряжения, а другой - технология управления ШИМ в текущем режиме.

1.4.1 ШИМ-контроллер в режиме напряжения

Импульсный источник питания изначально был основан на технологии PWM в режиме напряжения.Основной принцип работы показан на рисунке 6. Выходное напряжение Vo сравнивается с опорным напряжением для получения сигнала ошибки VE. Это напряжение ошибки сравнивается с пилообразным сигналом, генерируемым пилообразным генератором. Компаратор PWM выдает управляющий сигнал прямоугольной формы с изменением рабочего цикла. Это принцип работы технологии управления PWM в режиме напряжения.

Поскольку эта система представляет собой одноконтурную систему управления, ее самым большим недостатком является отсутствие сигнала обратной связи по току.Поскольку ток импульсного источника питания протекает через катушку индуктивности, соответствующий сигнал напряжения имеет определенную задержку. Однако для регулируемого источника питания необходимо постоянно регулировать входной ток, чтобы адаптироваться к изменению входного напряжения и требований нагрузки, тем самым достигая цели стабилизации выходного напряжения. Следовательно, недостаточно использовать метод выборки выходного напряжения, потому что реакция регулирования напряжения медленная. Даже при изменении большого сигнала трубка переключателя мощности повреждается из-за колебаний, что является самым большим недостатком технологии управления ШИМ в режиме напряжения.

Рисунок 6. Принцип работы технологии ШИМ-управления в режиме напряжения

1.4.2 ШИМ-контроллер текущего режима

Технология управления ШИМ в режиме тока была разработана из-за недостатков технологии управления ШИМ в режиме напряжения. Так называемое управление ШИМ в режиме тока заключается в прямом сравнении сигнала обнаружения тока выходной катушки индуктивности с выходным сигналом усилителя ошибки на входе компаратора ШИМ, чтобы реализовать управление рабочим циклом выходного импульса так, чтобы пиковый ток выходной дроссель следует за изменением напряжения ошибки.Этот метод управления может эффективно улучшить скорость регулирования напряжения и скорость регулирования тока импульсного источника питания, а также может улучшить переходную характеристику всей системы. Принцип работы технологии управления ШИМ в текущем режиме показан на рисунке 7.

Технология управления ШИМ в токовом режиме в основном делится на технологию управления пиковым током и технологию управления средним током. Две технологии управления обнаруживают и предоставляют обратную связь о пиковом и среднем значении изменения тока в течение одного периода проводимости.

Технология управления пиковым током: Управление режимом пикового тока напрямую контролирует ток индуктора на стороне пикового выхода, а затем косвенно регулирует ширину импульса ШИМ. Пиковый ток катушки индуктивности легко обнаружить и логически согласуется с изменением среднего тока катушки индуктивности. Однако пиковый ток индуктора не может быть во взаимно однозначном соответствии со средним током индуктора, потому что один и тот же пиковый ток индуктора может соответствовать разным средним токам индуктора с разными рабочими циклами и единственным фактором, определяющим значение выходного напряжения. - значение среднего тока катушки индуктивности.

Когда коэффициент заполнения системы ШИМ D> 50%, режим управления режимом пикового тока с фиксированной частотой имеет присущую нестабильность разомкнутого контура, и необходимо ввести соответствующую компенсацию наклона, чтобы устранить возмущение среднего тока катушки индуктивности из-за различных рабочих циклов и чтобы контролируемый пиковый ток индуктора в конечном итоге сходился к среднему току индуктора. Когда крутизна применяемого сигнала компенсации крутизны увеличивается до определенной степени, управление в режиме пикового тока преобразуется в управление в режиме напряжения.

Поскольку сигнал компенсации наклона полностью заменяется треугольной волной в колебательном контуре, он становится регулятором режима напряжения, но текущий сигнал в это время можно рассматривать как текущий сигнал прямой связи. Управление в режиме пикового тока представляет собой систему управления с двойным замкнутым контуром (внешний контур - это контур напряжения, а внутренний контур - это контур тока), а текущий внутренний контур мгновенно и быстро управляется в соответствии с импульсом за импульсом.При управлении с двойным контуром текущий внутренний контур отвечает только за динамическое изменение выходной катушки индуктивности, поэтому внешний контур напряжения должен только управлять выходным напряжением и не должен управлять схемой накопления энергии. Следовательно, управление в режиме пикового тока имеет гораздо большую полосу пропускания, чем управление в режиме напряжения.

Рисунок 7. Принцип работы технологии ШИМ управления в токовом режиме

Метод контроля среднего тока: Контроль среднего тока требует определения тока катушки индуктивности, сигнала определения тока катушки индуктивности и заданного VE.После сравнения управляющий сигнал VC генерируется регулятором тока и сравнивается с сигналом пилообразной модуляции для генерации импульса ШИМ. Регуляторы тока обычно используют схему компенсации PI-типа и отфильтровывают высокочастотные компоненты в дискретизированном сигнале.

Сравнение двух технологий управления током: Технология управления пиковым током удобна и быстра, но требует компенсации стабильности; Технология управления средним током отличается стабильностью и надежностью, но скорость реакции ниже, а управление более сложным.Поэтому в практических приложениях режим управления пиковым током более распространен, чем режим управления средним током.

1,5 W orking M ode of S witching P ower S upply

В качестве примера возьмем обратноходовой преобразователь, используемый в этой конструкции , так называемый обратный ход означает, что первичная полярность трансформатора противоположна вторичной полярности, как показано на рисунке 8.Он состоит из переключающей лампы VT, выпрямительного диода D1, фильтрующего конденсатора C и развязывающего трансформатора. Если верхний конец первичной обмотки трансформатора положительный, верхний вторичный конец отрицательный, и переключающая трубка VT работает в режиме ШИМ. Обратный преобразователь имеет высокий КПД, простую схему и может обеспечивать несколько выходов, поэтому он получил широкое распространение.

Рисунок 8 . B asic C ircuit из Обратный ход C onverter

Обратный преобразователь PWM имеет два режима: постоянный ток и прерывистый ток.Для тока, протекающего через переключающую трубку первичной обмотки W1, его ток не может быть непрерывным, потому что ток переключающей трубки VT обязательно равен нулю после отключения.

Но в это время во вторичной обмотке W2 неизбежно возникает ток. Для обратного преобразователя постоянный ток означает, что суммарный ток двух обмоток преобразователя не равен нулю в течение одного цикла переключения, а прерывание тока означает, что синтетическая ампула равна нулю в течение периода выключения переключающей лампы VT.Когда ток является непрерывным, обратный преобразователь имеет два режима переключения, как показано на (a) и (b) на рисунке 9; и когда ток прерывается, обратный преобразователь имеет три режима переключения, как показано на (a) (b) (c) рисунка 9.

Рисунок 9. Эквивалентная схема в различных режимах переключения

1.5.1 Принцип работы обратноходового преобразователя при постоянном токе

Как показано на рисунке 9 (а), при t = 0 переключающий транзистор VT включается, и напряжение питания Vi подается на первичную обмотку трансформатора W 1 .В это время индуцированное напряжение во вторичной обмотке W 2 отключает диод D 1 , и ток нагрузки подается от конденсатора фильтра C. В этот момент вторичная обмотка трансформатора разомкнута, только первичная обмотка работает, что эквивалентно катушке индуктивности. Индуктивность L 1 , первичный ток L p линейно увеличивается от минимального значения I Pmin , а скорость увеличения составляет: (1-2)

Когда t = T на , ток I p достигает максимума I Pmax

(1-3)

Во время этого процесса сердечник трансформатора намагничивается, и его магнитный поток Φ также линейно увеличивается.Приращение потока Φ:

(1-4)

Как показано на рисунке 9 (b), когда t = T на , переключающая трубка VT выключена, первичная обмотка разомкнута, и индуцированная электродвижущая сила вторичной обмотки меняет направление, чтобы включить диод D . 1 . Энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, высвобождается через диод D 1 , заряжая конденсатор C, с одной стороны, и подающий питание на нагрузку, с другой стороны.В этот момент работает только вторичная обмотка трансформатора, которая эквивалентна катушке индуктивности, а ее индуктивность составляет L 2 . Напряжение на вторичной обмотке составляет o В, вторичный ток I с линейно падает от максимального значения I Smin и скорость его падения составляет:

(1-5)

При t = T ток I с достигает минимального значения I Smin

(1-6)

Во время этого процесса сердечник трансформатора размагничивается, и его магнитный поток Φ также линейно уменьшается.Величина уменьшения магнитного потока Φ составляет:

(1-7)

1.5.2 Basic R elationship of F lyback C onverter W курица C urrent I s C непрерывно

При работе с регулируемым напряжением величина увеличения магнитного потока переключаемого сердечника обязательно равна величине уменьшения, когда переключатель VT выключен, то есть.Из формул (1-4) и (1-7) получаем:

(1-8)

В формуле - соотношение витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Когда K 12 = 1 ,

(1-9)

Напряжение, которому подвергается переключающая трубка VT при выключении, складывается из Vi и наведенной электродвижущей силы в первичной обмотке W1, то есть

(1-10)

Когда напряжение источника питания V i является постоянным, напряжение переключающего транзистора VT зависит от продолжительности включения D, поэтому значение максимальной продолжительности включения D max должно быть ограничено.Напряжение диода D 1 равно сумме выходного напряжения V и входного напряжения Vi, преобразованного во вторичное напряжение:

(1-11)

Ток нагрузки Io - это среднее значение тока, протекающего через диод D1:

(1–12)

В соответствии с принципом работы трансформатора устанавливаются следующие две формулы.

(1-13)

(1-14)

Из формулы (1-3) и формулы (1-12) в (1-14) мы можем получить:

(1-15)

(1–16)

I Pmax и I Smax - соответственно максимальные значения тока, протекающего через переключающую трубку VT и диод D 1 .

1.5.3 Принцип работы и основные отношения обратного преобразователя при прерывании тока

Формула (1-9) все еще работает, если критический ток постоянный. В это время максимальный ток первичной обмотки составляет I Pmax , то есть ток нагрузки составляет

.

(1-17)

Критический постоянный ток нагрузки

(1-18)

Когда D = 0.5, I oG достигает максимального значения

(1-19)

Тогда формулу (1-18) можно записать как :

(1-20)

Формула (1-20) - критическая непрерывная граница тока индуктора.

Когда ток индуктора прерывается, это связано не только с рабочим циклом D, но также со значением тока нагрузки I o .Предположим, что относительное время свободного хода I с , мы можем получить, потому что величина увеличения и уменьшения магнитного потока сердечника равна одному циклу переключения. Итак,, и, то:

(1-21)

Формула

(1-21) показывает, что когда ток прерывается, выходное напряжение не только связано с рабочим циклом D, но также связано с величиной тока нагрузки I o .Когда рабочий цикл D является постоянным, уменьшение тока нагрузки I o может привести к увеличению выходного напряжения V o .

В случае режима прерывания тока энергия, запасенная в первичной катушке индуктивности, зависит от пикового тока:

(1-22)

Энергия доставляется один раз за цикл,

(1-23)

Эта формула говорит нам, что после фиксированного входного напряжения только T может увеличить выходную мощность за счет уменьшения частоты переключения или уменьшения индуктивности.А если также выбрана частота переключения, то мощность можно увеличить только за счет уменьшения индуктивности. Однако фактическая индуктивность имеет минимальное значение, и обратный преобразователь, работающий в прерывистом режиме, имеет максимальный предел выходной мощности, обычно менее 50 Вт.

1.6 Краткое изложение

В этой главе в основном представлены основные принципы работы и рабочий процесс импульсного источника питания. Он также вводит режим модуляции импульсного источника питания.В настоящее время режим управления ШИМ является наиболее часто используемым в импульсных источниках питания. Он имеет следующие преимущества: высокий КПД при большой нагрузке, хорошее регулирование напряжения, высокая линейность и небольшая пульсация на выходе и подходит для режима управления током или напряжением. Следовательно, в этой конструкции будет использоваться модуляция ШИМ.

Существует два основных типа технологии управления ШИМ: один - это технология управления ШИМ в режиме напряжения, а другой - технология управления ШИМ в режиме тока.Поскольку метод управления током быстро реагирует на входное напряжение, в этой конструкции будет использоваться метод управления током.

В этой главе также описывается режим работы импульсного источника питания. Поскольку контур обратной связи в прерывистом режиме является стабильным, а мощность этой конструкции мала, принимается прерывистый режим.

Ⅱ Control D evices U sed in S witching P ower S комплектующие

2.1 высокочастотный T преобразователь

2.1.1 Кривая намагничивания и петля гистерезиса

Рисунок 10 . Намагниченность C urve и H ysteresis L oop из T трансформатора C руда

Как показано на рисунке 10, как прямые, так и мостовые преобразователи, большинство из них работают в зонах 1 и 2.Характеристики этих двух зон: внешнее магнитное поле небольшое и процесс намагничивания обратимый. В зоне 1,. μ 1 - начальная проницаемость. И явно линейно. Для силовых трансформаторов с низкой выходной мощностью и низкой частотой значение B при работе может быть рассчитано чрезвычайно точно. В зоне 2,. Здесь B - постоянная Рэлея, и эта область не была линейной.

Но процесс намагничивания по-прежнему обратим. Обычно для этих двух областей мы все еще используем приблизительную формулу для инженерных приложений:.Из-за обратимости прямой преобразователь почти не имеет гистерезиса (на самом деле, из-за технологического процесса и других причин, все еще существует необратимая намагниченность, но это относительно неочевидно). Для источника питания с одинаковым входом и выходом, если используются топологии прямого и обратного возбуждения соответственно, эффективность прямого трансформатора должна быть выше, чем у обратного трансформатора, если рабочая частота одинакова.

Для обратноходового трансформатора рабочая зона - это зона 1, 2 и 3.Среди них зона 3 относится к зоне необратимого намагничивания. Эта область является основной областью формирования гистерезиса, поэтому обратный трансформатор имеет компонент потерь на гистерезис. Работает в среднем диапазоне магнитного поля. Даже если диапазон изменения магнитного поля невелик, изменение B очень существенно. Магнитная проницаемость быстро увеличивается и достигает максимального значения.

Эта область также является областью с максимальной магнитной проницаемостью. Очевидно, что магнитные проницаемости зоны 1, 2 и 3 не равны, но при расчете параметров трансформатора мы пользуемся формулой.Здесь μ e - эффективная проницаемость, приравнивающая кривую B — H зон 1,2 и 3 к отношению B и H, полученному по прямой линии. Следует отметить, что эта формула адаптирована для обратноходового преобразователя, работающего в режиме DCM. Обратные преобразователи, работающие в режиме CCM, должны использовать инкрементную проницаемость для точных расчетов. Расчет индуктивности накопления энергии в прямом преобразователе также считается используемым в режиме DCM с использованием μ e и в режиме CCM с использованием инкрементной магнитной проницаемости.

Для петли максимального гистерезиса, если процесс намагничивания не может вернуться по исходному пути, неизбежно происходит потребление энергии. Мощность, потребляемая намагничиванием для одного круга, равна площади, окруженной кривой намагничивания. Чтобы снизить энергопотребление, мы всегда надеемся, что петля гистерезиса будет как можно более тонкой при выборе сердечника, потому что она больше похожа на прямую, пересекающую нулевую координату. При использовании формулы она ближе к реальной ситуации.Поскольку это приблизительная формула, а значение B max магнитопровода уменьшается с повышением температуры, значение △ B необходимо оставить с запасом при проектировании трансформатора. (Режим DCM обычно не должен превышать 2/3 своего номинального значения B max .

Следует отметить, что это значение соответствует максимальной температуре, при которой продукт может работать). Если запас небольшой, необходимо учитывать ограничение по току максимальной токовой защиты источника питания.Обычно, когда правильно спроектированный источник питания работает без обратной связи в пределах полного диапазона входного напряжения при полной нагрузке, сердечник трансформатора не насыщается.

Для трансформатора, если все вторичные обмотки не подключены, первичная обмотка эквивалентна катушке индуктивности, и весь ток, протекающий через первичную обмотку, намагничивается. В состоянии постоянного тока трансформатор эквивалентен короткозамкнутому компоненту и не может передавать энергию. Когда ток намагничивания велик, трансформатор будет насыщен.В это время резко падает эффективность передачи энергии. В реальных технических измерениях все другие обмотки обычно закорачивают для измерения при измерении индуктивности рассеяния определенной обмотки.

Когда вторичная обмотка разомкнута, первичный ток является током возбуждения. Индуктивность первичной обмотки соответствующей вторичной разомкнутой цепи может быть приблизительно выражена как индуктивность намагничивания. Для фиксированного трансформатора ток возбуждения в основном определяется напряжением, приложенным к первичной обмотке, а индуктивность намагничивания является реальной индуктивностью.Идеальный трансформатор - это просто черный ящик, передающий энергию.

Для прямого трансформатора и преобразователя, работающего как прямой трансформатор, необходим магнитный сброс, и индуктивность намагничивания пропускается через схему сброса для достижения баланса вольт-секунда. Обратный источник питания не требует магнитного сброса, потому что процесс обратного преобразователя сам по себе является процессом магнитного сброса. Существует несколько распространенных схем сброса, таких как LC-резонансный сброс, RC- или RCD-сброс, активный фиксатор и сброс с одной обмоткой.

2.1.2 Контроль воздушного зазора

Обратный трансформатор - это, по сути, индуктор. Весь его ток - это ток возбуждения. Формула накопления энергии индуктора:. Чтобы увеличить запас энергии, кажется, есть два пути: во-первых, увеличить индуктивность (то есть увеличить количество витков). Таким образом, объем трансформатора будет значительно увеличен. Другая проблема заключается в том, что поскольку магнитопровод постоянен, максимальный рабочий ток неизбежно уменьшается, поэтому неразумно увеличивать индуктивность для увеличения накопления энергии.Второй - увеличить рабочий ток. Текущие требования к накоплению энергии магнитного сердечника возрастают, что в конечном итоге приводит к увеличению общего накопления энергии сердечника.

Хотя магнитная проницаемость после открытия воздушного зазора меньше, чем магнитная проницаемость, когда воздушный зазор не открыт, напряженность магнитного поля (которая пропорциональна току), достигающая магнитного насыщения магнитопровода, значительно увеличивается. Это способствует накоплению большего количества энергии.

Увеличение сопротивления после воздушного зазора увеличивает рассеивание магнитного потока, особенно вокруг воздушного зазора. Если необходимо уменьшить индуктивность рассеяния, катушку можно намотать непосредственно на воздушный зазор, но катушка вокруг воздушного зазора будет находиться в сильном изменяющемся магнитном поле, и в проводе будет генерироваться локальный вихревой ток, и эмалированный провод пригорает и обесцвечивается через долгое время. Для сердечника из порошкового железа с дисперсными воздушными зазорами лучший способ уменьшить индуктивность рассеяния - это равномерно и равномерно обернуть весь сердечник.Ниже приводится формула расчета воздушного зазора трансформатора.

Во-первых, по закону Ома магнитопровода:

(2-1)

N - количество витков катушки, R m - магнитное сопротивление, NI - магнитный потенциал (аналогичный электродвижущей силе), и - магнитный поток.

Закон петли Ампера: подставляем его в формулу (2-1) и получаем:

(2-2)

(2-3)

(2-4)

(2-5)

Теперь мы можем получить формулу магнитосопротивления:

(2-6)

Из магнитного пути открытого воздушного зазора мы можем узнать, что полное сопротивление равно сумме сопротивления материала и сопротивления воздушного зазора.Поскольку магнитная проницаемость материала намного больше, чем магнитная проницаемость воздушного зазора. Следовательно, магнитное сопротивление материала намного меньше, чем магнитное сопротивление воздушного зазора, поэтому магнитное сопротивление материала не учитывается.

(2-7)

Из формулы накопления энергии индуктора:

(2-8)

Из закона петли Ампера:

(2-9)

Мы экспортируем:

(2-10)

мкм 0 - вакуумная проницаемость

I - первичный пиковый ток

B - значение магнитной индукции при номинальном режиме работы

S e - эффективная площадь поперечного сечения A e

2.1.3 Контроль индуктивности утечки

Рисунок 11. Распределение F люкс L чернил в A ctual T преобразователя

На рисунке 11 показан двухобмоточный трансформатор, N p - первичный, а N s - вторичный. - это магнитный поток, который первично связан с вторичным, и магнитные потоки, которые не связаны друг с другом, то есть индуктивность рассеяния.Из-за наличия индуктивности рассеяния первичной обмотки энергия будет передана вторичной обмотке через некоторое время. На практике трансформатор имеет два метода намотки: метод последовательной намотки и метод многослойной намотки. Эти два метода намотки по-разному влияют на электромагнитные помехи и индуктивность рассеяния. Метод последовательной намотки обычно имеет индуктивность рассеяния около 5% от индуктивности, но поскольку первичная и вторичная обмотки имеют только одну контактную поверхность, а емкость связи мала, EMI лучше.

Метод сэндвич-обмоток обычно имеет индуктивность рассеяния примерно от 1% до 3% от индуктивности. Последовательность намотки многослойной намотки обычно сначала первичная, затем от одной секунды до одной трети вторичной. И чем меньше соотношение сторон, тем меньше индуктивность рассеяния трансформатора. Однако, поскольку первичная и вторичная обмотки имеют только две контактные поверхности и емкость связи велика, электромагнитные помехи возникают относительно сложно. Обычно, когда мощность ниже 30 ~ 40 Вт, энергия утечки приемлема, поэтому чаще используется метод последовательной намотки.Когда мощность превышает 40 Вт, энергия индуктивности рассеяния велика, и, как правило, можно использовать только метод сэндвич-намотки.

2.1.4 A анализ C контроль P процесс F lyback P поток S подача

В блоке питания обратного хода первичный и вторичный ток фактически не изменяются.Теоретически ток первичной обмотки и ток вторичной обмотки плавно изменяются посредством магнитной связи, и ток каждой обмотки может изменяться, но на самом деле никаких изменений нет. Подробный рабочий процесс выглядит следующим образом: после выключения МОП первичный ток заряжает выходной МОП конденсатор и паразитную емкость трансформатора (на самом деле паразитная емкость является разрядом. Для упрощения описания она описывается в совокупности. как зарядка), а затем напряжение на клеммах DS трубки переключателя резонансно возрастает.Поскольку ток очень велик, значение Q в резонансном контуре очень мало, так что в основном это линейный рост.

Когда напряжение на клемме DS повышается до тех пор, пока напряжение на вторичной обмотке не достигнет суммы выходного напряжения и напряжения выпрямителя, вторичная обмотка должна быть включена. Однако из-за влияния индуктивности рассеяния вторичной обмотки напряжение будет расти, чтобы преодолеть влияние индуктивности рассеяния вторичной обмотки, так что напряжение, отраженное в первичную обмотку, также немного выше, чем нормальное отраженное напряжение.В таких условиях вторичный ток начинает расти, а первичный ток начинает уменьшаться. Но не забывайте об индуктивности рассеяния первичной обмотки. Поскольку он не может быть связан, его энергия должна высвобождаться. В это время индуктивность рассеяния, выходная емкость МОП и паразитная емкость трансформатора резонируют, напряжение высокое и формируются несколько колебаний.

Энергия потребляется в цепи зажима. Следует отметить, что ток индуктивности рассеяния всегда идет последовательно с первичным током, поэтому процесс снижения тока утечки является процессом увеличения вторичного тока.А процесс снижения тока утечки определяется разницей между напряжением на конденсаторе цепи зажима и отраженным напряжением. Чем больше разница, тем быстрее падение. Чем быстрее процесс преобразования, тем очевиднее эффективность, и процесс преобразования представляет собой процесс суперпозиции напряжения и тока.

При использовании RC для поглощения, поскольку разница между напряжением на C и отраженным напряжением не слишком велика в установившемся режиме, процесс преобразования медленный, а эффективность низкая.При использовании TVS для поглощения допустимое напряжение и отраженное напряжение сильно различаются, поэтому преобразование происходит быстро, а эффективность высока. Конечно, RC потребляет больше энергии, чем TVS, но он дешевле.

Когда источник питания использует УЗО в качестве контура поглощения, во время процесса установки вторичного тока напряжение постоянного тока, приложенное к конденсатору, отсутствует и превышает это напряжение.

Энергия, поглощаемая контуром поглощения УЗО, состоит из двух частей: одна - это энергия индуктивности рассеяния, а другая - накопитель энергии первичной индуктивности.Если постоянная времени RC составляет от 1/10 до 1/5 периода переключения, потери будут большими, и в процессе обратного хода вторичная энергия будет поглощаться в большом количестве, что приведет к снижению энергоэффективности.

2.1.5 Конструкция A абсорбция C ontrol C ir circuit

Звон в лампе переключателя и выходном выпрямителе будет в каждом источнике питания. Перенапряжение, вызванное чрезмерным звонком, может вызвать повреждение устройства и вызвать проблемы с высокочастотными электромагнитными помехами или нестабильность контура.Решение обычно состоит в том, чтобы добавить петлю абсорбции RC.

Сначала измерьте частоту вызывного сигнала с помощью осциллографа без добавления поглощающей цепи при небольшой нагрузке. Не забудьте использовать пробник с малой емкостью, потому что емкость пробника приведет к изменению частоты вызывного сигнала, и результат расчета не будет точным. Во-вторых, лучше измерять частоту вызывного сигнала при самом высоком рабочем напряжении, потому что частота вызывного сигнала будет изменяться с увеличением напряжения, что в основном связано с изменением выходной емкости МОП или диода с изменением напряжения.

Причина звонка - колебание эквивалентной цепи RLC. Для схемы с малыми потерями это колебание может длиться несколько циклов. Чтобы предотвратить это колебание, мы должны сначала знать параметр этого колебания. Для MOS индуктивность рассеяния - это основная индуктивность, вызывающая колебания, и это значение можно измерить. Для диода емкость является основным фактором, который можно определить по инструкции. Чтобы вычислить его полное сопротивление: если мы знаем L, то; если мы знаем C,.Попробуйте сначала R = Z, обычно этого достаточно для контроля звонка. Однако потери могут быть высокими, и конденсатор необходимо подключить последовательно, чтобы уменьшить потери мощности в демпфирующей цепи в это время. Значение C можно рассчитать следующим образом:. Увеличение значения C приведет к увеличению потерь и усилению демпфирующего эффекта. Уменьшение значения C приведет к уменьшению потерь и ослаблению эффекта демпфирования. Потеря сопротивления составляет:. На практике некоторые корректировки производятся на основе расчетного значения в соответствии с экспериментом.

2.1.6 Контроль электромагнитных помех трансформатора

В силовых трансформаторах малой мощности обычно используются экранирующие слои двух типов: медная фольга и обмотки. Принцип медной фольги заключается в том, чтобы отрезать путь паразитной емкости между первичной и вторичной обмотками, так что все они образуют емкость относительно земли, а экранирующий эффект превосходен. но процесс будет немного сложнее, а стоимость увеличится. Экраны обмоток работают по двум принципам: отсекают путь конденсатора и уравновешивают электрическое поле.Следовательно, витки, направление намотки и положение обмотки имеют большое влияние на результаты EMI.

Вкратце, есть один момент: напряжение, индуцированное экранирующей обмоткой, противоположно направлению напряжения при работе экранированной обмотки. Положение обмотки экрана оказывает большое влияние на энергопотребление источника питания в режиме ожидания. Экранирование электромагнитных помех может быть подключено к исходному заземляющему проводу или к высоковольтному концу исходной стороны.

В электромагнитных помехах почти нет разницы, потому что есть высоковольтный конденсатор, а синфазный сигнал вверх и вниз (как правило, в нем преобладают синфазные помехи после того, как он превышает 1 МОм), является эквипотенциальным. Внешний экран трансформатора можно отсоединить или подключить к первичной массе. Влияние на электромагнитные помехи зависит от внутреннего состояния обмотки. Обратите внимание на проблему безопасности. Подключенный к проводу заземления первичной обмотки, магнитопровод является первичным, то есть магнитопровод находится на первичной стороне, и следует учитывать безопасное расстояние между первичной и вторичной сторонами.

Обмотка экрана влияет на работу трансформатора. Чтобы играть важную роль, экранирующая обмотка обычно располагается близко к первичной обмотке, так что она образует конденсатор с первичной обмоткой. Обмотка экрана обычно подключается к первичной массе или высокому напряжению. Этот конденсатор эквивалентен стороне D-S, подключенной к MOS, и, очевидно, вызывает большие потери при включении, а также влияет на энергопотребление в режиме ожидания. Конечно, добавление экранирования также увеличит индуктивность рассеяния.

В экранировании Фарадея обычно используются тонкие медные листы, которые не могут образовывать петлю. Экран первичной стороны должен быть подключен к первичной стороне, или прямолинейный конденсатор должен быть подключен к первичной стороне. Экран вторичной стороны должен быть подключен к вторичной стороне. Что касается способа подключения, лучше всего вынуть из меди точку, чтобы исключить индуктивность. В целях безопасности экран следует заземлить. Номинальный ток экрана, подключенного к земле, должен быть как минимум больше, чем значение тока силового предохранителя.

Для магнитопровода с воздушным зазором используется внешний экран. Ширина щита очень привередлива и принцип очевиден. Если номинальный ток предохранителя защитного экрана меньше или равен силовому предохранителю, предохранитель защитного экрана может первым выйти из строя в случае короткого замыкания и не может работать как защитный экран. Что касается внешнего экранирования, мы должны в первую очередь соблюдать требования техники безопасности. При такой посылке, конечно, будет лучше, если она будет шире, но это также увеличит стоимость.Нам просто нужно соединить две половинки сердечника. На практике экранированная медная полоса часто находится в прямом контакте с сердечником.

2. 2 Основная трубка питания

Основная трубка питания, используемая для управления, обычно представляет собой полевой МОП-транзистор, а окружающие его компоненты являются паразитными компонентами, что серьезно влияет на работу МОП как переключателя. В качестве переключающего элемента основное внимание уделяется тому, чтобы время включения и выключения было достаточно коротким, чтобы работать между минимальным сопротивлением и максимальным сопротивлением, чтобы снизить потребление энергии.Фактическое время переключения обычно составляет 10–100 мкс, в то время как период переключения источника питания составляет 20–200 мкс. Время переключения также в основном определяется временем заряда и разряда его паразитной емкости. И CGD, и CDS зависят от напряжения стока и не являются линейными.

Еще одним важным паразитным параметром является сопротивление затвора, которое напрямую влияет на время включения переключателя, и этот параметр не предусмотрен в общей спецификации. Значение управляющего напряжения затвора обычно указывается в спецификации как значение 25 ° C.Фактически, напряжение домена затвора изменяется с отрицательным температурным коэффициентом -7 мВ / ° C.

Также есть два важных паразитных параметра: индуктор истока и индуктор стока. Стоимость паразитного индуктора в основном зависит от формы корпуса МОП-трубки. Типичные значения приведены в спецификации.

2.3 Основная микросхема управления

Основная часть импульсного источника питания состоит в основном из микросхемы прецизионного сравнения напряжения, микросхемы ШИМ, переключающей трубки, приводного трансформатора и главного выключателя трансформатора.Микросхема прецизионного сравнения напряжения сравнивает напряжение обратной связи выходной части постоянного тока с опорным напряжением, а микросхема ШИМ регулирует скважность переключающей трубки через приводной трансформатор в соответствии с результатом сравнения, тем самым управляя энергией, выводимой на часть постоянного тока. главного переключающего трансформатора для реализации регулируемого выхода.

Метод управления с обратной связью PWM можно разделить на тип тока и тип напряжения. Обычно используемый UC3842 является режимом управления текущего типа, и его внутренняя блок-схема показана на рисунке 12.

Рис. 12. Внутренняя блок-схема UC3842

UC3842A - это высокопроизводительный регулятор тока с фиксированной частотой, предназначенный для автономных приложений и преобразователей постоянного тока. Это наиболее часто используемый и наиболее типичный чип управления ШИМ. Эти интегральные схемы оснащены регулируемым генератором для точного контроля рабочего цикла, опорными сигналами с температурной компенсацией и усилителями ошибок с высоким коэффициентом усиления. Компаратор выборки тока и сильноточный выход на тотемный полюс идеально подходят для управления силовыми полевыми МОП-транзисторами.

Другие функции защит включают вход и опорное пониженное напряжение блокировку, каждый из них имеет гистерезис, ЦИКЛ за циклом ограничения тока, программируемого выходного и запаздывание одной защелки измерительного импульса. Эти устройства доступны в пластиковых корпусах с 8-контактными разъемами и двойным расположением выводов и 14-контактных пластиковых корпусах для поверхностного монтажа (SO-14). Выходной каскад на тотемных полюсах в корпусе SO-14 имеет отдельные выводы питания и заземления. Пороговые значения блокировки низкого напряжения 16 В (вкл.) И 10 В (выкл.) UC3842A идеально подходят для автономных преобразователей.UCX843A разработан для приложений низкого напряжения с порогом блокировки низкого напряжения 8,5 В (вкл.) И 7,6 В (выкл.) И имеет следующие характеристики:

1. Точно настроенный ток разряда генератора для точного управления рабочим циклом

2. Токовый режим работает до 500 кГц

3. Фиксирующая широтно-импульсная модуляция, которая может ограничивать текущий цикл циклом

4. Внутри отделан опорное напряжение с пониженным напряжением заблокирует

5. Сильноточный выход на тотемный столб

6.Блокировка минимального напряжения с гистерезисом

7. Низкий пусковой и рабочий ток

2.3.1 Функция D Использование E ач C Управление M odule

Осциллятор: частота определяется значениями выбора временных элементов RT и CT. Конденсатор CT заряжается опорным напряжением 0,5 В через резистор RT примерно до 2,8 В, а затем разряжается внутренним стоком тока до 1.2В. Во время разряда трансформатора тока генератор генерирует внутренний импульс гашения, чтобы поддерживать средний вход логического элемента ИЛИ-НЕ на высоком уровне, что приводит к низкому уровню выходного сигнала и обеспечивает контролируемое время задержки выхода. Следует отметить, что, хотя многие значения R и c могут давать одну и ту же частоту генератора, существует только одна комбинация, которая дает конкретное выходное мертвое время на данной частоте. Во многих приложениях, чувствительных к шуму, частота преобразователя может быть привязана к внешним системным часам.Для конкретного управления тактовым сигналом, пожалуйста, обратитесь к таблице данных.

Усилитель ошибки: он обеспечивает полностью компенсированный усилитель ошибки с доступным инвертирующим входом и выходом. Этот усилитель имеет типичное усиление по постоянному напряжению 90 дБ и коэффициент усиления 10 МГц с запасом по фазе 57 градусов при ширине полосы 1. Неинвертирующий вход имеет внутреннее смещение 2,5 В и не вытягивается штифтом. Обычно выходное напряжение преобразователя делится резистивным делителем и контролируется инвертирующим входом.Максимальный входной ток смещения составляет -2 мкА, что приведет к ошибке выходного напряжения. Последний равен входному току смещения и является произведением эквивалентного сопротивления источника входного делителя.

Выход усилителя ошибки (контакт 1) используется для компенсации внешнего контура. Выходное напряжение смещено примерно на 1,4 В из-за падения напряжения на двух диодах и делится на три части перед подключением к инвертирующему входу компаратора выборки тока.Это гарантирует отсутствие импульсов возбуждения на выходе (вывод 6), когда вывод 1 находится в самом низком состоянии, что происходит, когда источник питания работает и нагрузка отключена, или в начале процесса плавного пуска схемы.

Компаратор выборки тока и защелка широтно-импульсной модуляции: UC3843A работает как контроллер токового режима. Когда выходной переключатель включен генератором и пиковый ток катушки индуктивности достигает порогового уровня, установленного выходной компенсацией усилителя ошибки (вывод 1), сигнал ошибки управляет пиковым током катушки индуктивности на еженедельной основе.Конфигурация защелки с широтно-импульсной модуляцией, используемый компаратор выборки тока гарантирует, что только один одиночный импульс появляется на выходе в течение любого заданного периода генератора, а ток катушки индуктивности преобразуется в напряжение путем включения заземленного резистора выборки RS последовательно с источник выходного переключателя. Это напряжение контролируется входом выборки тока (вывод 3) и сравнивается с уровнем на выходе усилителя ошибки. В нормальных условиях эксплуатации пиковый ток индуктора контролируется напряжением на выводе 1, где:

(2-11)

Ненормальные рабочие условия будут возникать при перегрузке выхода источника питания или при потере выборки выходного напряжения.В этих условиях порог компаратора выборки будет внутренне ограничен 1 В.

При разработке импульсного регулятора большой мощности внутреннее напряжение в баке может быть уменьшено до разумного уровня, чтобы сохранить потребляемую мощность RS. Однако чрезмерное снижение напряжения фиксации приведет к ошибочной работе из-за захвата шума, и обычно можно наблюдать узкий всплеск на переднем фронте формы волны тока. Если выходная нагрузка мала, это может вызвать нестабильность мощности.Этот резкий импульс генерируется из-за межвитковой емкости силового трансформатора и времени восстановления выходного выпрямителя. Добавление RC-фильтра к входу дискретизации тока приводит к тому, что его постоянная времени приближается к длительности всплеска, что обычно устраняет нестабильность.

Выход

: Устройство ШИМ модели 3842 имеет выходной каскад с одним полюсным контактом, специально разработанный для непосредственного управления силовым полевым МОП-транзистором. Он обеспечивает пиковый ток возбуждения до 1 А и типичное время нарастания и спада 50 нс при нагрузке 1 нФ.В корпусе SO-14 для поверхностного монтажа предусмотрены отдельные контакты для VC (напряжения питания) и заземления. Соответствующее приложение может значительно снизить коммутационный переходной шум, воздействующий на цепь управления, и источник питания и заземление управления должны быть правильно подключены.

2.3.2 Меры предосторожности для P eripheral C ontrol C ircuit D esign

Штифт

(8-контактный корпус)

Функция

Описание

1

Компенсация

Выход усилителя ошибки для компенсации контура

2

Обратная связь по напряжению

Инвертирующий вход усилителя ошибки, выборка выходного напряжения

3

Текущая выборка

Напряжение, пропорциональное току катушки индуктивности, подается на этот вывод, и ШИМ и сигналы внутренней ошибки сравниваются для управления выходом.

4

RT / CT

К этому выводу подключаются колебательный конденсатор и резистор.

.

5

Земля

Это общая земля всего ШИМ

6

Выход

Тотемный выход для прямого привода внешнего MOS

7

VCC

Положительный источник питания для IC

8

VREF

С.В. опорное напряжение внутри IC, точность 1%, и он может выводить 20 м

Таблица 1 . Описание функций F из E ach P в UC3842

Для предотвращения дрожания ширины импульса необходимо использовать высокочастотную схему компоновки. Обычно он добавляется к входу выборки тока или обратной связи по напряжению, и возникает чрезмерный шум. Подавление шума может быть усилено за счет уменьшения импеданса цепи в этих точках. Компоновка печатной платы должна включать в себя заземляющую пластину с только слабым токовым сигналом, в то время как сильноточный переключатель и выходное заземление возвращаются к конденсатору входного фильтра по отдельному пути.

В соответствии со схемой, керамический байпасный конденсатор (0,1 мкФ) обычно требуется для прямого подключения к Vcc и Vref. Это обеспечивает тракт с низким импедансом, который отфильтровывает высокочастотный шум. Все сильноточные петли должны быть как можно короче и могут уменьшить излучаемые электромагнитные помехи за счет использования крупнозернистой медной фольги. Схема компенсации усилителя ошибки и выходной делитель преобразователя должны быть ближе к интегральной схеме и как можно дальше от переключателя питания и других компонентов, генерирующих шум.

Преобразователь режима тока работает при условии, что коэффициент заполнения превышает 50%, а постоянный ток индуктора будет генерировать субгармонические колебания. В это время необходимо добавить схему компенсации крутизны, чтобы весь блок питания работал стабильно.

2,4 G и передача T из Control S ignal

2.4.1 Сигнал T Передача в I Solation

С быстрым развитием электронных компонентов линейность оптопар становится все выше и выше, и оптопары являются наиболее широко используемыми устройствами изоляции и защиты от помех в импульсных источниках питания. Оптический соединитель (OC) также известен как оптоизолятор или оптрон, называемый оптопарой. Это устройство, которое передает электрические сигналы с помощью света.

Обычно осветитель (инфракрасный светодиодный светодиод) и светоприемник (светочувствительная полупроводниковая трубка) упаковываются в одну и ту же упаковку. Когда на входной вывод подается питание, осветитель излучает свет, и после получения света фоторецептор генерирует фототок, который течет с выходного конца, тем самым реализуя «электрическое оптико-электрическое» преобразование. Оптопара, которая связывает входной сигнал с выходным концом со светом в качестве среды, широко используется в схемах из-за своего небольшого размера, длительного срока службы, отсутствия контакта, сильной помехоустойчивости, изоляции между выходом и входом, односторонней передачи сигнала. , так далее.

Из-за своей нелинейности типичная оптопара ограничена изолированной передачей слабых сигналов на более высоких частотах. Обычная оптопара может передавать только цифровые (коммутационные) сигналы и не подходит для передачи аналоговых сигналов. Линейные оптопары, представленные в последние годы, способны передавать непрерывно изменяющиеся аналоговые или аналоговые токовые сигналы, что расширяет область их применения.

Основным преимуществом оптопары является односторонняя передача сигнала, полная гальваническая развязка между входом и выходом, сильная защита от помех, длительный срок службы и высокая эффективность передачи.Оптопара имеет большое сопротивление изоляции (около 10 12 Ом) и небольшой изолирующий конденсатор (около нескольких пФ). Оптопара, работающая в линейном режиме, добавляет управляющее напряжение на вход оптопары, которое пропорционально создает напряжение на выходе для дальнейшего управления следующим этапом схемы. Линейная оптопара состоит из светодиода и фототранзистора.

Когда светодиод включен и излучает свет, фототранзистор включен.Оптопара - это токовый тип, и для включения светодиода требуется достаточно большой ток. Если входной сигнал слишком мал, светодиод не включается и его выходной сигнал будет искажен. В импульсном источнике питания цепь обратной связи оптопары может быть построена с использованием линейной оптопары, а коэффициент заполнения изменяется путем регулировки тока управляющего вывода для достижения цели точного регулирования напряжения.

Технические параметры оптопары в основном включают прямое падение напряжения на светодиодах VF, прямой ток IF, коэффициент передачи тока CTR, сопротивление изоляции между входным каскадом и выходным каскадом и обратное напряжение пробоя коллектор-эмиттер V (BR). CEO , коллектор- Падение напряжения насыщения эмиттера V CE (sat).Кроме того, при передаче цифровых сигналов необходимо учитывать такие параметры, как время нарастания, время спада, время задержки и время хранения.

Коэффициент передачи тока обычно выражается как коэффициент передачи постоянного тока. Когда выходное напряжение остается постоянным, оно равно процентному отношению выходного постоянного тока IC к входному постоянному току IF. Диапазон CTR оптопары, использующей фототранзистор, обычно составляет 20–300% (например, 4N35), в то время как оптопары Дарлингтона (например, 4N30) могут достигать 100–5000%.

Это означает, что последний требует меньшего входного тока, если вы хотите такой же выходной ток. Следовательно, параметры CTR имеют некоторое сходство с HFE транзистора. Характеристическая кривая CTR-IF обычного оптического ответвителя является нелинейной, и нелинейные искажения особенно серьезны, когда IF мала, поэтому она не подходит для передачи аналогового сигнала. Характеристическая кривая CTR-IF линейного оптопары имеет хорошую линейность, особенно при передаче слабых сигналов.Его коэффициент передачи переменного тока очень близок к значению CTR, которое представляет собой коэффициент передачи постоянного тока. Следовательно, он подходит для передачи аналоговых сигналов напряжения или тока, обеспечивая линейную зависимость между выходом и входом.

Оптопары используются в первую очередь для обеспечения изоляции между входными и выходными цепями. При проектировании схемы необходимо соблюдать следующие принципы: Выбранное устройство оптопары должно соответствовать национальным и международным стандартам напряжения пробоя изоляции:

Для правильного выбора типа и параметров линейного оптического ответвителя в изоляции импульсного источника питания и конструкции импульсного источника питания с обратной связью оптопары необходимо соблюдать следующие принципы: допустимый диапазон коэффициента передачи тока ( CTR) оптопары составляет 50% - 200%.

Это связано с тем, что при CTR <50% светодиоду в оптопаре требуется большой рабочий ток (IF> 5 мА) для правильного управления рабочим циклом монолитной ИС импульсного источника питания, что увеличивает энергопотребление оптопары. Если CTR> 200%, при запуске схемы или при изменении нагрузки возможно ложное срабатывание однокристального импульсного источника питания, что влияет на нормальный выход; Если схема усилителя используется для управления оптопарой, она должна быть тщательно спроектирована для компенсации температурной нестабильности и дрейфа ответвителя; Рекомендуется использовать линейный оптрон, поскольку он характеризуется линейной регулировкой значения CTR в определенном диапазоне.

Оптрон, использованный выше, работает в линейном режиме. Управляющее напряжение подается на входной конец оптопары, и напряжение для дальнейшего управления схемой следующего каскада пропорционально генерируется на выходном конце, а управление регулировкой с обратной связью выполняется для стабилизации выхода источника питания.

2.4.2 Создание E rror C ontrol S ignals

TL431 имеет три терминала регулируемой ссылки шунта с хорошей термической стабильностью.Он может быть использован в качестве опорного программируемого усилителя коэффициента низкотемпературного. Его выходное напряжение может быть произвольно установлено на любое значение от Vref (2,5 В) до 36 В с двумя резисторами, что позволяет снизить ток от 1 до 100 мА. Типичное динамическое сопротивление устройства составляет 0,2 Ом. Внутри TL431 является опорное напряжение 2. 5V, поэтому ее опорного входного напряжения может быть обеспечено за счет частичного напряжения выходного напряжения постоянного тока, что делает его хорошо работать. Он имеет очень низкий выходной шум и температурный коэффициент всего 50 ppm / C.Он идеально подходит для использования в качестве эталонного источника питания.

Схемы выборки сравнивает полученный выходной сигнал с опорным источником 2. 5V внутри TL431, чтобы генерировать сигнал об ошибке амплификации, и в это время преобразует сигнал выходного напряжения в сигнал тока. Согласно характеристикам операционного усилителя, только когда напряжение на выводе REF (синфазный вывод) немного выше 2,5 В, через триод будет проходить стабильный ненасыщенный ток.Более того, при небольшом изменении напряжения на выводе REF ток через последовательно соединенный транзистор будет изменяться от 1 до 100 мА. Так что TL431 отнюдь не стабилитрон, а настоящая микросхема.

2.4.3 Реализация замкнутого контура управления с отрицательной обратной связью

Для схемы, показанной на рисунке 13, необходимо определить значения R1, R2, R3 и R4. Пусть выходное напряжение составляет 5 В, а выпрямленное выходное напряжение вспомогательной обмотки - 12 В.Схема использует выходное напряжение для сравнения с опорным напряжением, сформированным TL431, и управляет выводом COMP ШИМ посредством изменения тока фотодиода-транзистора PC817, тем самым изменяя ширину ШИМ и достигая цели стабилизации выходного напряжения. . Поскольку управляемый объект - это ШИМ, первое, что нужно выяснить, - это характеристики управления ШИМ. Связь между Vcomp и Icomp известна из спецификации PWM. Это видно из рисунка 14.

Рисунок 14. Линейная рабочая зона ШИМ

Видно, что ток Icomp должен быть между 810 мкА и 822 мкА, а ШИМ будет изменяться линейно. Следовательно, ток Ice транзистора PC817 также должен изменяться в этом диапазоне. Пока Ice управляется током диода If, мы можем правильно определить прямой ток If диода PC817 по соотношению между Ice и If PC817. Из рисунка 15 видно, что когда прямой ток If диода PC817 составляет около 8 мА, ток коллектора Ice триода изменяется примерно на 810 мкА, а напряжение коллектора Vce может линейно изменяться в широком диапазоне, как показано на рисунке 16.

Рисунок 15. Характеристика C Урве PC817

Рисунок 16. Связь между напряжением O V и током C PC817

Отвечает требованиям управления ШИМ. Следовательно, можно определить, что прямой ток диода PC817 IF равен 8 мА. После определения прямого тока оптопары можно определить значение сопротивления токоограничивающего резистора R1:

(2–12)

Назначение параллельного резистора R2 - подавать ток смещения на TL431.TL431 требует, чтобы рабочий ток был не менее 1 мА, то есть, когда ток диода оптопары имеет минимальное значение срабатывания, TL431 также должен быть не менее 1 мА. Поскольку анод TL431 имеет напряжение не менее 2,5 В, по приблизительным оценкам R2 <= 2,5 В / 1 мА = 2,5 К.

Кроме того, это еще и соображение энергопотребления. Здесь мы выбираем 2K, и есть два фактора, которые следует учитывать при значении R3:

1) Ток опорного входного терминала TL431 обычно составляет около 2uA.Для того, чтобы избежать этого терминала тока, воздействующего на отношение парциального давления и влияние шума, ток, протекающий через резистор R3, как правило, в 100 раз или больше тока опорного сегмента. Следовательно, сопротивление должно быть меньше 2,5 В / 200 мкА = 12,5.

2) Требования к потребляемой мощности в режиме ожидания. Если требуется попытаться взять большое значение при <12,5 КБ, мы выбираем здесь 2,5 КБ. Поскольку выходное напряжение составляет 5 В, R4 также выбирает 2,5 К.

2.5 Резюме

Основная работа данной главы - познакомить с устройствами управления, используемыми в конструкции, высокочастотными трансформаторами, основными силовыми лампами и основными управляющими микросхемами. Также представлены процесс управления обратным источником питания и конструкция схемы управления абсорбцией. В этой главе подробно рассматривается процесс генерации и передачи управляющего сигнала.

Вам также может понравиться

Схема импульсного источника питания

с пояснениями

Схемотехника линейного источника питания постоянного тока

Конструкция однофазного синусоидального инверторного источника питания SPWM на основе SG3525

Принципиальная схема источника питания с регулируемым напряжением

Принцип и применение источника питания постоянного тока

Преимущества ШИМ в сочетании с силовым полевым МОП-транзистором

Когда STMicroelectronics недавно выпустила полевой МОП-транзистор VIPer Controller на 730 В, одной из разрекламированных функций был встроенный контроллер широтно-импульсной модуляции.Когда поставщики рекламируют устройство как имеющее возможности ШИМ, насколько это может повлиять на ваш дизайн? Более пристальный взгляд на определение ШИМ и определенные варианты использования может рассказать нам больше.

Что такое широтно-импульсная модуляция (ШИМ)?

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - это метод, обычно используемый для генерации аналогового выходного сигнала из цифрового входа. При этом необходимо учитывать три фактора:

  • Амплитуда цифрового сигнала
  • Рабочий цикл
  • Частота, определяющая, насколько быстро цифровой сигнал переключается между нулем (выкл.) И 100% (вкл.) Амплитуды.

Рабочий цикл определяется как продолжительность включения цифрового сигнала.На приведенном ниже рисунке рабочий цикл составляет 25% до перехода в ноль.

График рабочего цикла, измеренный по времени и амплитуде.

Считается, что этот цикл имеет рабочий цикл 25%, который можно регулировать. Когда рабочий цикл запрограммирован на высокий (скажем, 90%) и частота переключения достаточно высока, выходной аналоговый сигнал кажется постоянным.

Например, вход цифрового сигнала 10 В с рабочим циклом 40% будет производить выходные аналоговые сигналы 10% × 40% или 4 В.Аналогичным образом, цифровой сигнал 6 В с рабочим циклом 30% даст 1,8 В соответственно.

Зачем нужен ШИМ?

Простая иллюстрация продемонстрирует полезность ШИМ. Рассмотрим источник света переменного тока на 110 В с постоянным входным напряжением 110 В переменного тока. Использование метода ШИМ для генерации того же выхода с 80% -ным рабочим циклом будет более энергоэффективным. Если переключение происходит достаточно быстро, невооруженным глазом разница не заметна. ШИМ может также применяться для управления двигателями и нагревателями.

Гибридный контроллер мощности MOSFET-PWM ST

PWM теперь поставляется с кремниевым МОП-транзистором с одинарным питанием. Одним из примеров, который мы можем использовать для иллюстрации вышеуказанных принципов, является силовой полевой МОП-транзистор VIPer на 730 В от STMicroelectronics со встроенным ШИМ-контроллером.

Контроллер VIPer ST. Изображение предоставлено STMicroelectronics

Устройство поддерживает несколько топологий преобразования мощности, в том числе:

  • Неизолированные обратноходовые преобразователи (AC-DC и DC-DC)
  • Изолированные обратноходовые преобразователи с регулированием на первичной или вторичной стороне с использованием оптопары
  • Понижающие преобразователи (понижающие DC-DC)
  • Пониженно-повышающие преобразователи (DC-DC с использованием одной катушки индуктивности вместо трансформатора)

Некоторые внешние компоненты для компоновки печатной платы (PCA) устраняются за счет встроенного в устройство высоковольтного запуска и цепей считывания тока, что упрощает спецификацию материалов (BoM).

Блок-схема силового полевого МОП-транзистора VIPer Controller на 730 В. Изображение предоставлено STMicroelectronics

Другие функции включают рабочее напряжение (VCC) 4,5–30 В, пусковое напряжение 30 В постоянного тока, высоковольтные преобразователи до 8 Вт и потребляемую мощность при небольшой нагрузке менее 40 мВт (при 230 В переменного тока). Кроме того, он имеет защиту от короткого замыкания, перегрева и пропуска импульсов.

Упакованный в SSOP10 5 мм x 4 мм, устройство работает от -40 ° C до 150 ° C при хранении от -55 ° C до 150 ° C.

Это устройство предназначено для нескольких приложений, включая бытовую технику, бытовую технику, промышленность (двигатели и обогреватели), освещение, устройства автоматизации зданий и интеллектуальные счетчики.

Различные микросхемы для различных нужд ШИМ

ШИМ не новость. Традиционно ШИМ достигается с помощью дискретных компонентов или контроллера ШИМ на полевых транзисторах. Многие производители силовых кремний интегрируют новые функции, включая ШИМ, на одном кристалле, в том числе:

Если ваша конструкция требует внешнего ШИМ, вы можете рассмотреть внешние ШИМ-контроллеры на полевых транзисторах (MAX17595 и MAX17598) компании Maxim для изолированных приложений переменного и постоянного тока.Контроллер VIPer с малым количеством выводов от STMicroelectronics - полезный выбор, если вы ищете несколько топологий преобразования мощности со встроенной функцией ШИМ.

Узнать больше о ШИМ

В этой статье мы рассмотрели основные размеры ШИМ. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашими другими обсуждениями ШИМ.

Таймеры с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) в микроконтроллерах

Фильтр нижних частот ШИМ-сигнала в аналоговое напряжение

Моделирование широтно-импульсного модулятора


Исходя из вашего опыта, каковы преимущества и недостатки ШИМ? Поделитесь своими мыслями в комментариях ниже.

Ремонт импульсных блоков питания

В этой статье Скотт Дорси рассказывает нам, как ремонтировать импульсные блоки питания. Как он объясняет, «существует множество книг и статей о том, как спроектировать импульсный источник питания, но не так много об их ремонте. Поскольку переключаемые источники питания становятся повсеместными в электронных устройствах сегодня, становится гораздо важнее понять, как они работают и, что не менее важно, как они терпят неудачу ". Эта статья изначально была опубликована в audioXpress, январь 2018 г.

Существует много книг и статей о том, как разработать импульсный источник питания, но не так много о том, как их починить. По мере того, как импульсные источники питания становятся сегодня повсеместными в электронных устройствах, становится все более важным понимать, как они работают, и, что не менее важно, как они выходят из строя.

Вся суть переключателя заключается в том, что он выпрямляет линию питания переменного тока в постоянный ток, а затем прерывает постоянный ток генератором с переменной скважностью на очень высокой частоте, так что можно использовать крошечный понижающий трансформатор.Трансформаторам на высоких частотах не требуются большие сердечники или много обмоток для получения большой мощности, поэтому их можно сделать крошечными и с небольшими затратами. Рабочий цикл генератора можно регулировать с помощью обратной связи, так что регулирование может выполняться без потери мощности в процессе. Таким образом, вы можете получить одновременно хорошее регулирование и хорошую эффективность.

В этой статье речь пойдет о линейных расходных материалах с обратным ходом. Существуют и другие преобразователи топологии, которые популярны, когда изоляция линий не требуется, но когда вы посмотрите на то, что происходит между входом переменного тока и шинами постоянного тока на элементе электронного оборудования сегодня, это основная используемая топология, потому что она дает хорошие результаты. эффективность и изоляция линии.

Рисунок 1: Этот образец импульсного источника питания взят из таблицы данных UC2842 и использует общую микросхему ШИМ-контроллера UC2842. (Оригинальная схема любезно предоставлена ​​Texas Instruments)
Как работают коммутаторы
На рис. 1 показан образец импульсного источника питания (любезно предоставлен Texas Instruments). Это взято из таблицы данных UC2842 и использует общую микросхему контроллера PWM UC2842. (Таблицу данных можно найти в разделе «Дополнительные материалы» на веб-сайте audioXpress, ссылку см. В «Файлы проекта».Обратите внимание, что эта конструкция, как и обычно, имеет полную изоляцию между первичной и вторичной сторонами цепи. Вы можете провести в своей голове линию через сердечник трансформатора и оптрон и разбить схему на две электрически изолированные половины. Это важный момент, и вы увидите это почти во всех источниках питания любого размера, поскольку изоляция от линии электропередачи является основной проблемой безопасности.

Питание переменного тока отключается от сети и выпрямляется через мостовой выпрямитель DBRIDGE.Выход заряжает большой конденсатор фильтра на первичной стороне CIN, который обеспечивает отфильтрованное (но почти без пульсаций) постоянное напряжение на первичную обмотку трансформатора NP, а также напряжение для запуска микросхемы широтно-импульсной модуляции (ШИМ). через резистор RSTART.

RSTART подает только небольшой ток для запуска устройства, поэтому, как только первый импульс проходит через полевой транзистор (FET), ток из третьей обмотки трансформатора используется для обеспечения питания для запуска генератора.В этом суть NA и DBIAS. Вы можете не увидеть эту третью обмотку, вы можете просто увидеть, что вся рабочая мощность потребляется через резистор сброса большей мощности вместо RSTART. Но использование третьей обмотки значительно повышает эффективность.

Когда генератор ШИМ работает, он посылает постоянные импульсы с выходного контакта. Это включает большой переключающий полевой транзистор QSW, который генерирует импульс тока, проходящего через трансформатор. Когда это происходит, ток индуцируется во вторичной обмотке трансформатора, выпрямляется и фильтруется с помощью DOUT и COUT, а ток течет по выходу.

Поскольку генератор ШИМ работает очень быстро, трансформатор и конденсатор фильтра на вторичной стороне могут быть очень маленькими. Хотя этот предел 2200 мкФ может показаться большим, если генератор работает на частоте 60 кГц, он в тысячу раз эффективнее того же значения на линии 60 Гц.

Рисунок 2: На этой схеме показан типичный небольшой импульсный источник питания, использующий микросхему 3845 PWM. Обратите внимание, что выход Vaux связан с входной землей. Оптоизолятор U2 состоит из двух частей.U3 является эталоном для сравнения линии 5 В.
Регулировка источника питания
Итак, как работает регулирование? Все остальное на вторичной обмотке приводит к включению светодиода в оптоизоляторе, когда выходное напряжение превышает 12 В. UC2842 обеспечивает небольшое количество регулируемых 5 В (сделанных с помощью внутреннего линейного регулятора), и это напряжение на VREF используется для запитать выходной каскад оптоизолятора. Он подает переменное напряжение на вход VFB, чтобы обеспечить обратную связь с UC2842 о том, что напряжение правильное, и немного снизить коэффициент заполнения выходного сигнала.

Оптоизолятор не обязательно должен быть очень линейным, чтобы рабочий цикл UC32842 поддерживался на грани, чтобы выходное напряжение всегда было идеальным. Вход ISENSE измеряет падение напряжения на RCS, то есть измеряет ток, потребляемый через этот переключающий полевой транзистор. UC2842 спроектирован таким образом, что если оно превышает 1 В, он отключает схему ШИМ. Итак, это схема защиты по току.

Обычно мы видим резистор и конденсатор, RRT и CCT, подключенные к выводу RT / CT и обеспечивающие постоянную времени для генератора ШИМ.В этом случае мы также усиливаем линейный сигнал ШИМ с помощью транзистора и подаем его на вход ISENSE через CRAMP и IRAMP, чтобы схема была стабильной в течение очень долгих рабочих циклов. Это называется «компенсацией наклона», и способ ее выполнения кратко объясняется в таблице данных TI для микросхемы UC2842, но не в таблицах данных других производителей.

А что насчет другого транзистора с CSS и RSS? Это небольшая схема, которая сужает ширину импульса при первом включении устройства и немного замедляет запуск, чтобы было меньше ударов по компонентам.Теперь вы увидите другие варианты этой базовой схемы.

Вы увидите дополнительную обмотку трансформатора, которая используется для обеспечения обратной связи вместо оптоизолятора. Вы увидите, что ИС с ШИМ подключается непосредственно к линии переменного тока, а не с обмоткой NA. Вы увидите несколько вторичных цепей и цепей лома. Но это базовая конструкция, которую вы увидите внутри любого переключателя, поэтому ваша задача - точно выяснить, какие изменения от этой базовой конструкции существуют в вашей схеме.

Рисунок 3: Вот еще один вариант конструкции небольшого импульсного источника питания.Этот коммутатор использует регулировку на шине 5 В, а шина 12 В регулируется только в том смысле, что она отслеживает шину 5 В. Четвертая обмотка питает микросхему ШИМ.
Как определить, что у вас есть
Плохая новость заключается в том, что в большинстве случаев у вас не будет документации для коммутатора. Хорошая новость заключается в том, что большую часть времени коммутатор будет очень близок к образцу схемы из таблицы данных микросхемы ШИМ (см. Рисунок 2). Не всегда и не для расходных материалов более высокого уровня, но в большинстве случаев получение таблицы данных микросхемы скажет вам 90% того, что происходит со схемой.

Похоже, что в подавляющем большинстве более качественных расходных материалов китайского производства используются контроллеры ШИМ серии C2842 / UC2843 / UC3842 / UC3843. Они производятся дюжиной разных компаний, включая Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor, TI и STMicroelectronics, и у каждой из этих компаний есть немного разные таблицы данных с немного разными образцами схем. Так что, если вы не видите схему, с которой столкнулись, в таблице данных, получите другую таблицу от другого производителя, и, вероятно, вы ее увидите (см. Рисунок 3).

Fairchild KA7552 обнаруживается в ряде устройств (см. Фото 2). Это был дизайн Samsung, который теперь продается Fairchild с тех пор, как они приобрели производственные мощности и линейку продуктов Samsung. Он отдаленно похож на UC2842, но с другой распиновкой.

Иногда вы увидите ШИМ-контроллер TL594 от ON Semiconductor. Опять же, для этого есть пара других поставщиков, поэтому вам следует проверить несколько таблиц данных. Одна очень популярная ИС, которую вы найдете в устройствах с одним выходом с низким энергопотреблением, - это микросхемы серии TOP242, производимые Power Integrations.Это встроенные генераторы ШИМ на одной подложке с мощным полевым транзистором. Добавьте трансформатор, пару выпрямителей и оптоизолятор, и вы получите полный импульсный блок питания в коробке. Конечно, они часто выходят из строя, но их довольно легко диагностировать.

Однако эти микросхемы имеют десятки вариантов мощности и корпусов, поэтому вы не всегда можете держать их все под рукой. Аналогичное, но менее популярное устройство - MC33374. Многие менее дорогие продукты китайского производства будут использовать управляющую ИС AP3021, и этот чип производится и продается под десятками разных наименований десятками различных компаний в Китае.Документация на него оставляет желать лучшего, но если вы когда-нибудь столкнетесь с загадочно выглядящим ШИМ-контроллером, где контакт № 6 не используется, скорее всего, это AP3021 или его копия. Таблицы данных на английском языке для этого продукта в лучшем случае скудны, но как только вы получите некоторое представление о распиновке и о том, как она работает, вы сможете понять, что происходит.

Фото 2: Fairchild KA7552 использовался в нескольких устройствах.
Встреча с неожиданностью
Не каждый источник питания представляет собой отдельный импульсный источник питания в коробке.Иногда вы встретите системы с несколькими переключателями в одном корпусе, обеспечивающими несколько выходных напряжений, каждый из которых регулируется. Чаще встречается несколько напряжений на одном трансформаторе с одним выходным напряжением, используемым для контура управления, но для некоторых приложений требуется хорошее регулирование с сильно меняющейся нагрузкой.

Иногда используется второй «всегда включенный» источник питания, который обеспечивает резервное напряжение, используемое для работы процессора, который управляет основным питанием. Это очень распространено для таких вещей, как видеомониторы и компьютеры.Часто этот источник питания находится на небольшой дочерней плате, так как он требует хорошей гальванической развязки от остальной электроники, но не требует большой мощности.

Если вы видите повсюду множество маленьких дискретных транзисторов, можно предположить, что они задействованы в системах автоматического отключения, чтобы отключиться в случае высокого или низкого напряжения или тока в одном или нескольких местах. Поиск и устранение неисправностей в этих схемах без руководства может быть настоящим кошмаром, поскольку бывает сложно понять, при каком напряжении срабатывают отдельные части.

Время от времени для аудио или других приложений с низким уровнем шума вы будете видеть линейные регуляторы серии для небольшого дополнительного сглаживания, расположенные после переключения источника питания. Поскольку они могут перегреться, они являются частым источником проблем, но их довольно легко диагностировать, поскольку вы можете видеть, как в них поступает и выходит напряжение.

Устранение проблемы
Если у вас есть документация на блок питания, половина работы сделана за вас. Если нет, то вы знаете основную блок-схему и можете вручную разрабатывать отдельные части внутри каждого блока.Получение таблицы данных для микросхемы PWM скажет вам огромное количество, поскольку большинство схем PWM, а иногда и целые расходные материалы просто скопированы из таблиц данных производителей. Часто микросхема ШИМ имеет несколько источников. Например, общий ШИМ-контроллер 2842 можно приобрести как минимум у четырех разных производителей. У всех есть разные таблицы данных, и если вашей схемы нет в одной, она может быть в другой.

Если источник питания включается, но сразу ломаются, первое, что нужно сделать, это проверить или заменить все конденсаторы фильтра на вторичной стороне трансформатора.Это может быть вызвано и другими вещами, такими как негерметичный выпрямитель на вторичной обмотке или неисправный резистор в цепи измерения тока, но они встречаются гораздо реже.

Иногда крышки бывают настолько негерметичными, что источник питания запускается без нагрузки, но не работает с какой-либо нагрузкой. Вы склонны винить нагрузку в том, что она потребляет слишком большой ток, но это не всегда нагрузка. Если сомневаетесь, замените колпачки, а затем снимите диагностику.

Во многих источниках питания используется «пусковой конденсатор» для подачи тока для запуска.Это не показано в приведенном выше примере, но это довольно распространенная конфигурация. Если блок питания работал, был отключен, но не перезапускался вообще, замените пусковой конденсатор. Если документации нет, скорее всего, это будет электролитик от 25 В до 50 В очень небольшого значения (1 мкФ или 2 мкФ), расположенный рядом с микросхемой ШИМ.

Высоковольтный конденсатор (иногда два конденсатора) на первичном источнике питания, который напрямую фильтрует линию, в США редко выходит из строя.Однако в Европе, где линейное напряжение в два раза больше и где используются те же самые источники питания с несколькими входами, эти конденсаторы часто оказываются неисправными. Европейские поставщики, поведение которых меняется в зависимости от нагрузки, должны сначала проверить их.

Конденсаторы, расположенные рядом с радиаторами или под ними, имеют тенденцию очень быстро перегорать и являются частыми источниками отказов. Фактически, поскольку подавляющее большинство сбоев, с которыми вы сталкиваетесь, связаны с конденсаторами, очень удобно иметь эквивалентный тестер последовательного сопротивления (ESR) для проведения быстрых тестов в цепи.Тем не менее, я часто склонен просто заменять все электролиты сомнительных производителей, даже если они хорошо проходят испытания, просто потому, что мне нужен более длительный срок службы источника питания, чем предполагаемый расчетный срок службы.

Если проблема не в конденсаторе, очень распространенной неисправностью является силовой транзистор или полевой транзистор (см. QSW на рисунке 1). Обычно их можно легко найти по большим отверстиям в плате, где раньше находился полевой транзистор, по всем трем контактам полевого транзистора, имеющим непрерывность между ними, или по очевидным сбоям диодов или резисторов в цепи рядом с полевым транзистором.Если полевой транзистор не «протерт» (это означает, что все три контакта имеют целостность и звуковой сигнал на тестере целостности), возможно, стоит проверить его вне цепи.

Однако, если полевой транзистор «очищен», все, что управляет затвором этого полевого транзистора, вероятно, было разрушено в результате сбоя. Часто это микросхема ШИМ, и хорошо иметь общие микросхемы ШИМ в корзине запчастей.

Хорошее правило состоит в том, что в случае отказа переключающего транзистора или полевого транзистора следует заменить защитный диод на базе или затворе транзистора.Даже если он хорошо проверит, может и не быть. Также необходимо проверить демпфирующий диод DCLAMP. Полевые транзисторы выходят из строя без видимой причины, но чаще всего они выходят из строя из-за перенапряжения (из-за плохих ограничивающих диодов) или перегрузки по току (из-за плохих и протекающих конденсаторов) или высоких температур (из-за плохих разработчиков).

Если эти простые вещи не решают вашу проблему, пора приступить к реальной диагностике. Достаньте измеритель и начните смотреть на контакты микросхемы ШИМ. Вы видите приемлемое входное напряжение на VCC? Вы видите 5 V опорное напряжение от VREF? Вы видите на ISENSE меньше вольт или больше? Осциллятор вообще колеблется? Убедитесь, что входы микросхемы ШИМ исправны, а затем и выходы микросхемы ШИМ.Если у вас есть форма волны на выходном контакте, но у вас нет выхода, обратите внимание на переключающий полевой транзистор или транзистор, демпфирующий диод вокруг него и так далее. Если осциллятор не колеблется, чего ему не хватает?

Точные значения будут варьироваться в зависимости от используемой микросхемы ШИМ, но таблица рекомендуемых рабочих условий в таблице данных микросхемы ШИМ сообщит вам, какими они должны быть.

Правила для конденсаторов
Правило 1: Большинство отказов импульсного источника питания происходит из-за плохих электролитических конденсаторов.Даже отказы полевого транзистора часто являются долгосрочными последствиями первоначальной проблемы с конденсатором.

Правило 2: Никто никогда не ошибся, заменив дешевые бытовые электролитические конденсаторы на промышленные 105C более высокого класса. Это может не решить сиюминутную проблему, но, вероятно, повысит надежность электроснабжения в долгосрочной перспективе. Так что не тратьте много времени на то, чтобы решить, неисправен ли конденсатор, просто замените его. Ваше время стоит больше, чем электролит.

Правило 3. Покупайте конденсаторы у законных поставщиков, таких как Digi-Key, Newark / element14, Allied / RS, Mouser и т. Д.На рынке много поддельных конденсаторов, которые не были поставлены производителем на банке.

Правило 4: Электролитические конденсаторы выходят из строя из-за возраста и плохой инженерной надежности, но когда другие типы конденсаторов выходят из строя, это происходит потому, что они вышли из строя из-за чего-то другого.

Правило 5: Танталовые конденсаторы на самом деле являются электролитическими. Химический состав немного отличается от химического состава алюминиевых электролитических колпачков, но долговременная надежность и проблемы, связанные с температурой, такие же.Обратите внимание, что более распространенные танталы с «сухими пробками» (те, что покрыты эпоксидной смолой) имеют тенденцию выходить из строя, и это может облегчить их идентификацию в случае отказа. К сожалению, это также означает, что отказ может привести к серьезному сопутствующему ущербу.

Изменение
Не бойтесь работать на оборудовании со встроенными коммутационными блоками. Чтобы разобраться в том, как они работают, и в наиболее распространенных режимах отказов может потребоваться много времени, но как только вы это сделаете, их, как правило, нетрудно исправить.

Если вы хотите научиться разрабатывать коммутационные блоки (а вам следует это сделать, потому что это тоже полезный навык), позвольте мне порекомендовать «Замечание по применению линейной технологии 25: Импульсные регуляторы для поэтов», написанное 30 лет назад великий Джим Уильямс. В то время переключение источников питания было причудливой новой вещью, с которой дизайнеры только начинали разбираться, а доступные ИС были гораздо более ограниченными и грубыми, поэтому описание Уильямса должно было быть подробным. Это прекрасный документ, доступный во многих местах в Интернете.B

Файлы проекта
Чтобы загрузить техническое описание Texas Instruments UC2842, посетите audioXpress-Supplementary-Material

Resource
Дж. Уильямс, «Примечание 25 по применению линейной технологии: переключение регуляторов для поэтов», сентябрь 1987 г.

Эта статья была первоначально опубликована в audioXpress, январь 2018 г.

Об авторе
Скотт Дорси имеет степень в области электротехники, во время которой он работал в сфере радиовещания и звукозаписи.Проработав несколько лет в крупной студии, он устроился на работу к подрядчику по защите. Это оставило ему время для записи живых концертов акустической музыки, а также для разработки и создания аудиоустройств для личного использования по контракту с несколькими производителями и импортерами аудио. Скотт регулярно пишет в нескольких аудиожурналах. Он публикует обзоры оборудования и проекты DIY с середины 1980-х годов. Он, вероятно, наиболее известен в аудио-сообществе своими модернизированными электронными конструкциями недорогих микрофонов Oktava, AKG и Feilo.

Что такое частота коммутации - Sunpower UK

Что такое частота переключения?

Скорость, с которой напряжение постоянного тока включается и выключается во время процесса широтно-импульсной модуляции в импульсном источнике питания.

Частота коммутации в инверторе или преобразователе - это скорость, с которой коммутационное устройство включается и выключается. Типичный диапазон частот составляет от нескольких кГц до нескольких мегагерц (20 кГц - 2 МГц). Повышенная частота коммутации уменьшает размер связанных компонентов, таких как катушки индуктивности, трансформаторы, резисторы и конденсаторы, в дополнение к уменьшенным требованиям к месту на плате и корпусе.

Эта частота влияет на выбор компонентов с точки зрения:

  • Физические размеры, уменьшающиеся с увеличением частоты
  • Электрические характеристики
  • Амплитудно-частотная характеристика
  • Минимальное рабочее время
  • Энергетические потери и более

Схема дискретных компонентов или интегральная схема может использоваться в качестве генератора для генерации либо синусоидального, либо прямоугольного сигнала переключения, который обычно находится за пределами звукового диапазона.Модуль IC имеет преимущество в упрощении процесса проектирования.

Генератор синусоидальной или прямоугольной волны обычно используется для преобразования выпрямленного напряжения или постоянного напряжения батареи в более высокую частоту. В источниках питания SMPS, где используются более высокие частоты, можно использовать контроллер PWM или PFM для регулирования того, как полевой МОП-транзистор, силовой транзистор или тиристор включается и выключается сигналом генератора. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) изменяет рабочий цикл фиксированной частоты переключения и, таким образом, регулирует время, в течение которого устройство остается включенным или выключенным.

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) регулирует переменную частоту переключения, тем самым контролируя количество включений и выключений устройства в секунду, ЧИМ имеет постоянное время включения и время выключения. Обе модуляции обычно используются для сигнала переключения прямоугольной формы, который намного легче фильтровать и регулировать по сравнению с синусоидальной волной.

Рисунок 1: Типичный импульсный источник питания с генератором PWm, Image Credit

Частота коммутации напрямую влияет на рассеиваемую мощность в переключающих элементах, таких как диоды, транзисторы и тиристоры; индуктивные и емкостные паразитные элементы и электромагнитные помехи EMI.По мере увеличения потребности в более высокой плотности мощности увеличиваются частоты, но вместе с тем увеличиваются и связанные с этим потери, такие как коммутационные потери, возникающие при каждом включении устройства. Таким образом, эти потери ограничивают практическую максимальную частоту коммутации.

При проектировании ИИП необходимо учитывать различные потери и снижение эффективности, связанные с высокими частотами. Эти потери обычно возникают из-за:

  • Потери на полевом транзисторе или тиристоре
  • Коммутационные потери
  • Сопротивление, потери в катушке индуктивности и конденсаторах
  • IC потерь

Эффективность при различных частотах переключения показана на рисунке ниже:

Рисунок 2: КПД при входном напряжении 5 В и 1.Выход 8 В на разных частотах, Изображение предоставлено

В схемах преобразователя используется широкий диапазон частот переключения в зависимости от выходного напряжения, а иногда и от нагрузки и доступного пространства. Преимущества использования более высоких частот включают уменьшенный размер компонентов, более быстрое время отклика на переходную нагрузку и более низкую пульсацию на выходе. Однако более высокие частоты снижают эффективность, увеличивают потери мощности, радиочастотный шум и электромагнитные помехи. Поэтому проектировщик должен балансировать между всеми этими факторами, а также соблюдать спецификации производителя, чтобы выбрать компоненты, способные выдерживать расчетную частоту.

Импульсные источники питания

Введение

Импульсные источники питания

(часто сокращенно SMPS) значительно более сложные, чем линейные регулируемые источники питания, описанные в модуле 2 источников питания. Основное преимущество этой дополнительной сложности состоит в том, что работа в коммутируемом режиме дает регулируемые источники постоянного тока, которые могут обеспечивать большую мощность. для заданных габаритов, стоимости и веса силового агрегата.

Конструкции с переключением режимов

Используется ряд различных типов дизайна.Если на входе используется сеть переменного тока, переменный ток выпрямляется и сглаживается накопительным конденсатором перед обработкой преобразователем постоянного тока в постоянный для получения регулируемого выходного постоянного тока на требуемом уровне. Следовательно, SMPS можно использовать в качестве преобразователя переменного тока в постоянный для использования во многих цепях с питанием от сети или постоянного тока в постоянный, повышая или понижая напряжение постоянного тока по мере необходимости, в системах с батарейным питанием.

Блок-схема переключаемого режима

Рис. 3.0.1 Типовая блок-схема SMPS

Рис.3.0.1 показывает пример блок-схемы типичного SMPS с входом сети переменного тока (линейным) и регулируемым выходом постоянного тока. Выходное выпрямление и фильтр изолированы от секции высокочастотной коммутации высокочастотным трансформатором, а обратная связь по управлению напряжением осуществляется через оптоизолятор. Блок схемы управления типичен для специализированных ИС, содержащих высокочастотный генератор, широтно-импульсную модуляцию, управление напряжением и током, а также секции отключения выхода.

Независимо от назначения SMPS, общей особенностью (после преобразования переменного тока в постоянный, если требуется) является использование высокочастотной прямоугольной волны для управления электронной схемой переключения питания.Эта схема используется для преобразования источника постоянного тока в высокочастотный сильноточный переменный ток, который различными способами, в зависимости от конструкции схемы, преобразуется в регулируемый выход постоянного тока. Причина этого процесса двойного преобразования заключается в том, что при изменении постоянного тока или частоты сети переменного тока на высокочастотный переменный ток компоненты, такие как трансформаторы, катушки индуктивности и конденсаторы, необходимые для обратного преобразования в стабилизированный источник постоянного тока, могут быть намного меньше и дешевле, чем те, которые необходимы для выполнения той же работы на сетевой (сетевой) частоте.

Высокочастотный переменный ток, создаваемый в процессе преобразования, представляет собой прямоугольную волну, которая обеспечивает средства управления выходным напряжением посредством широтно-импульсной модуляции. Это позволяет регулировать выходную мощность намного эффективнее, чем это возможно в линейно регулируемых источниках питания.

Комбинация прямоугольного генератора и переключателя, используемая в импульсных источниках питания, также может использоваться для преобразования постоянного тока в переменный. Таким образом, метод переключения режимов также может использоваться в качестве «инвертора» для создания источника переменного тока с потенциалом сети от источников постоянного тока, таких как батареи, солнечные панели и т. Д.

Регулировка напряжения

В большинстве импульсных источников питания обычно обеспечивается регулировка как линии (входное напряжение), так и нагрузки (выходное напряжение). Это достигается путем изменения отношения метки к пространству формы волны генератора перед ее применением к переключателям. Контроль отношения метки к пространству достигается путем сравнения обратной связи по напряжению на выходе источника питания со стабильным опорным напряжением. Используя эту обратную связь для управления отношением метки к пространству генератора, можно управлять рабочим циклом и, следовательно, средним выходным постоянным током схемы.Таким образом может быть обеспечена защита как от перенапряжения, так и от перегрузки по току.

Там, где важно поддерживать электрическую изоляцию от сети, это обеспечивается с помощью трансформатора либо на входе переменного тока, где он также может использоваться для изменения напряжения переменного тока перед выпрямлением, либо между секциями управления источником питания. секции питания и выхода, где, помимо обеспечения изоляции, трансформатор с несколькими вторичными обмотками может выдавать несколько различных выходных напряжений.

Для обеспечения хорошо регулируемого выхода образец выходного напряжения постоянного тока обычно подается обратно в схему управления и сравнивается со стабильным опорным напряжением. Любая возникшая ошибка используется для управления выходным напряжением. Для поддержания гальванической развязки между входом и выходом обратная связь обычно осуществляется через такое устройство, как оптоизолятор.

ВЧ переключение

Использование высокой частоты для импульсного привода дает несколько преимуществ:

• Трансформатор будет ВЧ-типа, который намного меньше стандартного сетевого трансформатора.

• Частота пульсаций будет намного выше (например, 100 кГц), чем при линейном питании, поэтому требуется меньшее значение сглаживающего конденсатора.

• Также использование прямоугольной волны для управления переключающими транзисторами (режим переключения) гарантирует, что они рассеивают гораздо меньше энергии, чем обычный транзистор последовательного стабилизатора. Опять же, это означает, что для заданной выходной мощности можно использовать меньшие и более дешевые транзисторы, чем в линейных источниках питания аналогичного номинала.

• Использование трансформаторов меньшего размера и сглаживающих конденсаторов делает импульсные источники питания более легкими и менее громоздкими.Дополнительная стоимость сложной схемы управления также компенсируется меньшими и, следовательно, более дешевыми трансформаторами и сглаживающими конденсаторами, что делает некоторые конструкции с переключением режимов менее дорогими, чем эквивалентные линейные источники питания.

Хотя линейные источники питания могут обеспечить лучшее регулирование и лучшее подавление пульсаций на низких уровнях мощности, чем источники с импульсным режимом, вышеуказанные преимущества делают SMPS наиболее распространенным выбором для блоков питания в любом оборудовании, где требуется стабилизированный источник питания для доставки средних и больших объемов. власти.

Недостатком использования такой высокочастотной прямоугольной волны в мощной цепи, такой как SMPS, является то, что создается много мощных высокочастотных гармоник, так что без очень эффективного RF-экранирования и фильтрации существует опасность того, что SMPS создаст радиочастотные помехи.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *