Устройство импульсного блока питания: Принцип работы у импульсного блока питания

Импульсные блоки питания — устройство, применение, неисправности и ремонт

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Среди всех блоков питания можно выделить два основных типа:

• линейные;
• импульсные (инверторные) источники.

В подавляющем большинстве случаев линейный источник питания состоит из трансформатора, преобразующего переменное напряжение, силового выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора. Линейные блоки питания наиболее просты в схемотехническом плане и имеют низкий уровень помех.

Самый крупный недостаток — большие габариты и вес понижающего трансформатора и низкий КПД, особенно в случае большой нестабильности входного напряжения. Массивный силовой трансформатор с большой тепловой инерционностью затрудняет даже принудительное охлаждение при больших нагрузках.

Основные отличия импульсных стабилизаторов.

Импульсные источники питания тоже имеют в составе понижающий трансформатор.

Только в данном случае он работает на высокой частоте и имеет несравненно меньшие габариты и массу. Малые габариты элементов облегчают отвод тепла пассивными (применение радиаторов) и активными (вентиляторы) методами.

При фильтрации и стабилизации высокочастотного напряжения с выхода импульсного трансформатора упрощается построение выходных фильтров, поскольку для фильтрации пульсаций напряжения высокой частоты нужна меньшая емкость конденсаторов.

Инверторным блокам питания присущи несколько существенных недостатков — сложное устройство, высокий уровень электромагнитных помех и, в некоторых случаях, гальваническая связь выходных и входных цепей.

Впрочем, отработанная схемотехника подобных устройств в настоящее время уже не считается сложной, а помехи снижаются путем грамотного расчета узлов и дополнительной экранировкой.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Импульсный блок питания состоит из следующих элементов:

• входной выпрямитель;
• блок конденсаторов;
• схема управления;
• выходные ключи;
• импульсный трансформатор;
• вторичные (выходные) стабилизаторы и фильтры.

За счет того, что входное напряжение сначала преобразуется в постоянное, а затем обратно в переменное, точнее, в импульсы высокой частоты, импульсный высокочастотный трансформатор имеет очень малые габариты. Трансформатор преобразует высокочастотное переменное напряжение, поступающее от мощных транзисторных выходных ключей, которые, в свою очередь управляются широтно-импульсным (ШИМ) контроллером.

Такое название схема управления получила из-за того, что изменяя частоту и ширину (длительность) импульсов, можно регулировать время открытия ключевых транзисторов, изменяя, таким образом, значение выходного напряжения.

На ШИМ – контроллер (обычно это одна специализированная микросхема), поступает напряжение обратной связи с выхода блока питания или иные управляющие сигналы. Таким образом можно получить любые алгоритмы стабилизации выходного напряжения.

Стоит отметить, что наибольшей сложностью обладают устройства, которые предназначены для формирования нескольких значений напряжения на выходе с высокими требованиями к стабильности каждого из них. Как пример можно назвать блоки питания персональных компьютеров, телевизоров и других сложных устройств.

Такие блоки питания, как зарядные устройства для мобильных телефонов или иных маломощных гаджетов содержат малогабаритные специализированные микросхемы, в которых уже интегрированы все необходимые элементы. Такие блоки содержат минимум деталей и ремонтируются только энтузиастами, поскольку стоимость отдельных элементов порой сравнима со стоимостью нового зарядного устройства.

Часто производители бытовой техники вообще не предусматривают ремонт, выполняя корпус устройства неразборным или заливая печатную плату вместе с элементами специальным компаундом.

Высокий уровень помех импульсных устройств обусловлен тем, что управляющие импульсы высокой частоты имеют практически прямоугольную форму и поэтому имеют высокий уровень гармонических составляющих в большом диапазоне частот. Мощные транзисторы в момент переключения также становятся сильными источниками электромагнитного излучения. Для снижения помех схемы обычно дополняются помехоподавляющими цепями и заключаются в экранирующий корпус.

Малые габариты устройства и наличие схемы управления позволяют дополнить схемотехнику самыми различными схемами контроля как входного, так и любых выходных цепей, включая программное управление характеристиками.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Импульсные блоки питания в настоящее время используются в подавляющем большинстве устройств мощностью от долей ватта до единиц киловатт. Верхний предел ограничен параметрами выпускаемых на текущий момент транзисторов. Это ограничение можно обойти довольно просто, соединяя несколько идентичных маломощных блоков питания параллельно.

Для одинаковой и равномерной нагрузки отдельных составляющих, они объединяются по сигналам обратной связи. Постоянное совершенствование технологии разработки и конструирования полупроводниковых приборов, создание новых классов транзисторов (IGBT, MOSFET) стимулирует создание все более мощных импульсных устройств.

Даже большое число параллельно включенных устройств по массе и габаритам значительно меньше аналогичного по мощности понижающего трансформатора стандартной частоты 50 Гц, поэтому очень часто делают некоторый избыток блоков для того, чтобы при выходе одного из них он автоматически выключался и работа устройств не нарушалась.

Сам принцип работы обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения. Например импульсные блоки питания бытовых устройств при нормальном напряжении сети 220 В, способны работать вплоть до диапазона 80 — 250 В, то есть при таких напряжениях, когда обычный линейный стабилизатор выходит из границ стабильной работы.

ТИПОВЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И РЕМОНТ

Как ни странно будет звучать, но импульсным блокам питания гораздо страшнее низкое входное напряжения, чем высокое. Верхний предел обычно ограничен номинальным напряжением электролитических конденсаторов фильтра и допустимым обратным напряжением выпрямительных диодов.

Длительная работа при пониженном входном напряжении вызывает перегрев и тепловой пробой ключевых транзисторов, поскольку, чем ниже напряжение на входе, тем больше время открытия ключей для получения нужного напряжения на выходе трансформатора.

Многие импульсные блоки питания нестабильно работают, когда нагрузка выхода имеет малое значение или вообще отсутствует. Отсутствие обратной связи на входе ШИМ контроллера приводит к тому, что транзисторные ключи полностью открываются и блок выходит из строя буквально через несколько минут. Соответствующие схемные решения позволяют избавиться от такого недостатка.

Наиболее часто неисправности импульсных блоков питания вызываются:

• выходом из строя диодов выпрямительного моста;
• электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра;
• ключевых транзисторов.

Такое обычно происходит в случае сильно завышенного входного напряжения или длительной работы при пониженном. В подавляющем большинстве случаев даже нет необходимости в измерительных приборах — повреждения видны невооруженным глазом по разрушенным и вздувшимся элементам.

Гораздо реже выходят из строя элементы управляющей схемы (ШИМ-контроллера) и обратной связи. В данном случае без измерений не обойтись.

Крайне редки случаи повреждения импульсного трансформатора. Обычно их габариты позволяют выполнять сборку с большими запасами по току и мощности. Поэтому неисправности случаются только при некачественном выполнении.

Практика ремонтов показывает, что львиная доля неисправностей происходит по причине крайне низкого качества некоторых типов электролитических конденсаторов.

Падение емкости или большое внутреннее сопротивление конденсаторов выходных цепей может приводить к неправильной работе обратной связи, в результате чего выходное напряжение перестает соответствовать норме.

В некоторых случаях конденсаторы могут вызывать срабатывание защиты. Внешне неисправные конденсаторы могут иметь вздутие на торцах корпуса. Такие элементы следует менять на исправные, не тратя время на их проверку.

Обычно ремонт серьезных импульсных блоков питания требует несколько большей квалификации специалистов, чем ремонт традиционных схем и требует таких измерительных приборов, как осциллограф.

Внимание!

Часть элементов схемы блока питания находится под напряжением сети. Это выпрямительные диоды, конденсаторы, ключевые транзисторы и первичная обмотка импульсного трансформатора.

Ремонт таких устройств можно выполнять только при отключенном блоке с разряженными конденсаторами фильтра. В крайнем случае можно производить некоторые работы и под напряжением, но только с обязательной гальванической развязкой блока от питающей сети через разделительный трансформатор.

Для исключения попадания электромагнитных помех в питающую сеть, на входе блока обычно ставят помехоподавляющий фильтр, элементы которого соединены непосредственно с экранирующим кожухом. Таким образом, кожух оказывается гальванически связан с проводами питающей сети.

При прикосновении к корпусу прибора можно получить удар электрическим током, опасным для жизни. Для обеспечения безопасности, все импульсные блоки питания должны быть в обязательном порядке заземлены или иметь корпус из изоляционного материала.

Современное бытовое оборудование и часть промышленного позволяют производить заземление непосредственно через шнур питания. Для этого в паре розетка — вилка предусмотрены отдельные контакты для подключения заземления.

© 2012-2023 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Советы по ремонту импульсных блоков питания

Немного о применении и устройстве ИБП

На сайте уже была опубликована статья «Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового», в которой рассказано об устройстве ИБП. Эту тему можно несколько дополнить небольшим рассказом о ремонте. Под аббревиатурой ИБП достаточно часто упоминается источник бесперебойного питания. Чтобы не было разночтений, условимся, что в данной статье это Импульсный Блок Питания.

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

Рис.1. Функциональные схемы импульсных блоков питания

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

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

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

Рис.2. Выходные каскады импульсных блоков питания

Здесь показаны только силовые ключи и первичная обмотка силового трансформатора.

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

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

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

Очень простые импульсные блоки питания

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

Рис.3. Электронный трансформатор Taschibra

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

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

Сначала техника безопасности

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.4. Трансформатор безопасности

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

О роли лампочки и ее мощности

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

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

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

О разборных и неразборных корпусах

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

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

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

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

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

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

Как найти схему

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

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

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

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

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

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

Измерительные приборы и инструмент

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

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

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

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

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

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

Поиск неисправностей

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

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

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

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

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

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

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

Описание схемы и рекомендации по ремонту

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

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

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

Сетевой фильтр и выпрямитель

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

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

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

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

Инвертор

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

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

Выходные напряжения

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

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

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

Защита от перегрузок

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

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

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

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

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

Стабилизация выходных напряжений

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Борис Аладышкин

Источник: http://electrik.info

Что такое импульсный источник питания

Источники питания используются почти во всех электрических/электронных приложениях для обеспечения достаточного тока при требуемом напряжении. Существует два основных типа источников питания: линейные и импульсные. Оба могут использоваться взаимозаменяемо, но импульсные источники питания становятся все более и более популярными.

В этой статье давайте рассмотрим, что такое импульсные блоки питания, как они работают, а также их преимущества и недостатки по сравнению с традиционными линейными блоками питания.

Что такое импульсный источник питания (SMPS)?

Импульсный источник питания (также известный как импульсный источник питания , SMPS, коммутатор) — это электронное устройство питания, которое эффективно преобразует электрическую мощность из одного напряжения в другое.

Как правило, SMPS используется для передачи питания от источника постоянного/переменного тока на нагрузку постоянного тока (например, компьютер, мобильный телефон и т. д.). Большинство импульсных источников питания преобразуют более высокое напряжение (110 В или 220 В переменного тока) в гораздо более низкое постоянное напряжение, такое как 24 В, 12 В или 5 В.

Блоки питания такого типа можно найти практически в каждом электроприборе, особенно в компактных. Например, можно взять адаптеры для зарядки мобильных телефонов, компьютеров, адаптеров для зарядки ноутбуков.

История импульсных источников питания

История импульсных источников питания восходит к 1836 году. Имеются свидетельства того, что катушки индуктивности использовались для создания всплесков высокого напряжения в экспериментах. Перемотка вперед почти на десятилетие, в 1959 в Bell Labs Мохамед М. Аталла и Давон Канг изобрели мощный полевой МОП-транзистор. Мощные полевые МОП-транзисторы на сегодняшний день являются наиболее широко используемыми переключающими устройствами в импульсных источниках питания.

Есть записи патентов, поданных IBM в 1958 году, где показана конструкция SMPS на основе транзисторных колебаний. Примерно в том же году General Motors Corporation (GM) также подала аналогичные патенты на конструкции SMPS.

Первым коммерческим и широко известным продуктом с импульсным источником питания был карманный калькулятор Hewlett Packard HP-35. Миниатюрный SMPS использовался для питания светодиодов, ПЗУ и других первичных элементов, таких как часы и регистры. Хотя проекты появляются у многих крупных поставщиков, патент на использование термина «импульсный источник питания (SMPS)» был подан в 1976 от Microchip Technology. Они выпустили первый интегрированный контроллер для импульсных блоков питания.

Что означает «переключение режима»?

Термин «режим переключения» или «режим переключения» происходит от работы SMPS. SMPS состоит из сложной схемы, работающей на очень высокой частоте (от 20 кГц до 10 МГц). Это высокоскоростное переключение позволяет импульсному источнику питания преобразовывать электроэнергию более эффективно, чем традиционные линейные источники питания.

Импульсный источник питания Принцип работы

Импульсный источник питания состоит из сложной схемы, которая содержит ряд силовых электронных подсхем для эффективного преобразования мощности из одного напряжения в другое.

Типичный SMPS имеет следующую блок-схему с этими ключевыми подразделами:

• Входной каскад
• Ступень переключения
• Выходной каскад
• Цепь управления

Входной каскад

Входной каскад питания обычно состоит из полной или полумостовой выпрямительной схемы, которая принимает мощность переменного тока в качестве входа и выдает отфильтрованный выход постоянного тока того же напряжения. Например, этот каскад может преобразовывать 110 В переменного тока в 110 В постоянного тока. Этот каскад также содержит дополнительные LC-фильтры (катушка индуктивности и конденсатор) для дальнейшего устранения любых пульсаций входной мощности.

Высокочастотный переключатель

Это наиболее важный этап источника питания. Как правило, SMPS имеет мощный полевой МОП-транзистор (один или несколько) в качестве основного коммутационного устройства. Сигнал ШИМ быстро включает и выключает полевой МОП-транзистор, который действует как переключатель. Это преобразует сглаженное постоянное напряжение входного каскада в высокочастотную прямоугольную волну. Коммутационное устройство работает в режиме непрерывной проводимости в большинстве источников питания для достижения большей эффективности преобразования.

 Этот колебательный источник подается на силовой трансформатор, который понижает или повышает напряжение в зависимости от соотношения первичной и вторичной обмоток. Некоторые источники питания имеют несколько обмоток для обеспечения обратной связи и получения нескольких выходных напряжений.

Выходной каскад

Выходной сигнал силового трансформатора также представляет собой колебательный сигнал, который дополнительно фильтруется выходным каскадом. Этот каскад также содержит фильтры, аналогичные входному каскаду, но способные обрабатывать больший ток при более низких напряжениях. Это заключительный этап схемы, который выводит мощность на подключенную нагрузку.

Схема управления

Коммутационное устройство (транзистор или полевой МОП-транзистор) должно быстро включаться и выключаться, чтобы генерировать прямоугольную волну, необходимую для питания силового трансформатора с использованием ШИМ-сигнала. Этот ШИМ-сигнал имеет как частоту, так и рабочий цикл. Рабочий цикл – это отношение между временем включения и общим временем цикла. Выходным напряжением SMPS можно управлять, увеличивая или уменьшая рабочий цикл ШИМ-сигнала, подаваемого на транзистор.

Когда нагрузка подключена, она начинает потреблять ток, и выходное напряжение SMPS падает. В этот момент отдельная схема должна быть в состоянии готовности, чтобы отслеживать выходное напряжение и, когда оно падает, увеличивать рабочий цикл ШИМ-сигнала. Точно так же, когда нагрузка отключена, цепь обратной связи уменьшает рабочий цикл, чтобы поддерживать желаемое выходное напряжение.

Что такое топологии SMPS

В коммерческих импульсных источниках питания используется множество топологий:

• Бак
  • Топология buck представляет собой неизолированную топологию понижающего напряжения постоянного тока. (т.е. от 24 В до 12 В постоянного тока)
  • Они потребляют меньший средний ток на входе и обеспечивают более высокий ток на выходе.
  • Примером понижающего преобразователя являются компьютерные блоки питания, в которых основной источник питания 12 В понижается для питания контроллеров USB 5 В и 1,8 В DRAM.
• Повышение
  • Это неизолированная топология повышения напряжения постоянного тока. (от 3,7 В до 5 В постоянного тока)
  • Повышающие преобразователи потребляют больший ток на входе и выдают меньший ток при более высоком напряжении на нагрузке.
  • В системах с батарейным питанием, таких как переносные системы освещения и электромобили, используются высокоэффективные повышающие преобразователи для преобразования более низкого напряжения в более высокое для питания приборов.
• Понижение/повышение
  • Комбинация топологий Buck и Boost. Эти схемы могут повышать или понижать вход в соответствии с желаемым выходом.
  Понижающе-повышающие преобразователи
  • используются там, где входное напряжение может быть выше или ниже требуемого выходного напряжения. Используя такой преобразователь, мы всегда можем гарантировать, что он обеспечит нужное выходное напряжение вне зависимости от входного напряжения. Однако обычно это связано с ограничениями, такими как диапазон входного напряжения (минимальное и максимальное входное напряжение).

Вышеупомянутые топологии являются самыми простыми топологиями. Однако они не имеют гальванической развязки, как трансформаторы. Поэтому существуют более продвинутые топологии, в которых используются более сложные трансформаторы для обеспечения необходимых функций безопасности при сохранении той же функциональности.

• Обратный ход
  • Улучшенная версия понижающего преобразователя обеспечивает ту же функциональность с гальванической развязкой.
• Передний преобразователь
  • Изолированная топология SMPS более эффективна, чем топология обратного хода.

Цепь импульсного источника питания

Хотя управление ИИП может показаться сложным и трудным в обращении, существуют специализированные ИС контроллера ИИП, такие как TNY267, TEA173X и VIPER22A, которые имеют встроенный генератор ШИМ и многие другие расширенные функции, такие как управление с обратной связью. и защита от короткого замыкания/перенапряжения.

Ниже показано типичное применение TNY267 от Power Integrations, простого контроллера SMPS в автономном режиме, который может выдавать 12 В 1 А постоянного тока с использованием источника переменного тока 230 В.

Вход Vin представляет собой вход переменного тока 100–300 В (также может быть постоянным током), вход защищен предохранителем и металлооксидным варистором для защиты цепи от скачков перенапряжения. Мостовой выпрямитель D3 и конденсатор C2 вместе преобразуют входной сигнал переменного тока в 100–300 В постоянного тока. Выходное напряжение этого каскада составляет около [входное напряжение * 1,4] из-за среднеквадратичных значений.

Вместе D2 и D4 образуют цепь подавления переходных процессов, чтобы защитить TNY267 от всплесков обратной ЭДС. D1 и C1 выпрямляют вторичный выход трансформатора T1, который является желаемым выходным напряжением.

R1, D5 и R2 образуют цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения в соответствии с изменяющимися условиями нагрузки. Это помогает TNY267 поддерживать постоянное выходное напряжение на уровне 12 В.

Преимущества и недостатки импульсных источников питания

Импульсные источники питания имеют много преимуществ:

• Меньше по размеру, поэтому подходит для компактных устройств
• Из-за компонентов на основе полупроводников, SMPS легче по весу
• Очень эффективен, чем линейные источники питания (обычно 70–95 %)
• Поддерживает более широкий диапазон входного и выходного напряжения
• Обеспечивает дополнительные функции, такие как регулируемые выходы и функции безопасности, такие как защита от короткого замыкания, перенапряжения, перегрузки по току и перегрева
• Меньшее тепловыделение, поэтому требуется минимальное активное охлаждение

Однако у SMPS есть и недостатки, которые иногда делают их непригодными для определенных приложений. Например, SMPS представляет собой гораздо более сложную схему, чем традиционная линейная схема. Поэтому существует множество компонентов, которые могут работать со сбоями и мешать работе блока питания.

Кроме того, SMPS известны своими более высокими EMI (электромагнитными помехами) и электрическим шумом, поскольку они работают на высоких частотах. Плохо спроектированный SMPS может вызвать сбои, а иногда даже необратимо повредить чувствительную электронику, питаемую от них.

В области энергетики импульсные источники питания также создают гармонические искажения в электросети и иногда могут потребовать дополнительной коррекции коэффициента мощности, если они не встроены в источник питания.

Линейный и импульсный источник питания

Основное различие между импульсными и линейными источниками питания заключается в их эффективности. Импульсные источники питания чрезвычайно эффективны по сравнению с линейными источниками питания, которые, как правило, рассеивают больше энергии в виде тепла.

В линейных источниках питания переменного/постоянного тока обычно используются трансформаторы для понижения входного переменного напряжения и последующего его выпрямления с помощью диодов и фильтров с использованием конденсаторов. Это обеспечивает очень низкую пульсацию на выходе, но за счет снижения эффективности (около 30%-60%). Они также имеют тенденцию быть очень громоздкими из-за размера и веса трансформатора. Линейные источники питания не могут работать с переменным входным напряжением, если они не разработаны специально.

С другой стороны, линейные преобразователи постоянного тока понижают напряжение, рассеивая падающее напряжение в виде тепла. Следовательно, линейные регуляторы сильного тока требуют более сложного активного охлаждения для правильной работы. Однако линейные поставки отличаются простотой бездействия и относительно низкой стоимостью реализации. Также изолированы выходы линейных (трансформаторных) источников питания.

SMPS в этом случае отличается КПД от 80% и выше при минимальных потерях мощности. Кроме того, они имеют небольшой форм-фактор и могут применяться гибко, поскольку схема может быть изменена для получения регулируемых выходов и даже изолированных выходов. Но они намного сложнее по конструкции (большое количество компонентов) и имеют высокочастотные шумы на выходе. Если их не устранить должным образом, они могут вызвать проблемы в чувствительных участках цепей нагрузки.

Вывод

Импульсные источники питания очень эффективно преобразовывают электроэнергию из одного напряжения в другое. Они подходят для приложений с высокой эффективностью и большой мощностью и во многих случаях более подходят, чем линейные источники питания. Тем не менее, выбор SMPS или линейного источника питания должен осуществляться с учетом многих факторов, таких как допустимая пульсация на выходе, нагрузка и регулирование линии, а также стоимость/сложность в желаемом приложении.

Импульсный источник питания — TONGOU Electrical

Импульсные источники питания, также известные как импульсные источники питания или просто импульсные источники питания, стали важным компонентом современных электронных устройств и систем благодаря их высокой эффективности, компактным размерам и способности работать с широким диапазоном входных напряжений. В этом подробном руководстве мы углубимся в принципы, преимущества и области применения импульсных источников питания, а также узнаем, чем они отличаются от своих линейных аналогов.

Что такое импульсный источник питания?

Импульсный источник питания представляет собой электронное устройство, которое преобразует входное напряжение в требуемое выходное напряжение путем быстрого включения и выключения входного напряжения с помощью высокочастотного транзистора. Этот процесс, известный как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), позволяет блоку питания регулировать выходное напряжение с минимальными потерями энергии, что обеспечивает высокую эффективность.

Компоненты импульсного источника питания

Импульсные источники питания обычно состоят из нескольких основных компонентов:

Входной выпрямитель и фильтр: Этот каскад преобразует входящее переменное напряжение в постоянное и удаляет любые остаточные компоненты переменного тока.

Переключающий транзистор: Этот высокочастотный транзистор служит основным элементом управления питанием, включая и выключая входное напряжение в соответствии с ШИМ-сигналом.

Трансформатор и выходной выпрямитель: Трансформатор изолирует и масштабирует напряжение по мере необходимости, а выходной выпрямитель преобразует напряжение обратно в постоянный ток для использования нагрузкой.

Цепь обратной связи и управления: Эта цепь контролирует выходное напряжение и регулирует сигнал ШИМ для поддержания желаемого уровня выходного напряжения.

В чем преимущества импульсных источников питания?

Высокая эффективность

Одним из основных преимуществ импульсных источников питания является их высокая эффективность. В отличие от линейных источников питания, которые рассеивают избыточную энергию в виде тепла, импульсные источники питания используют ШИМ для минимизации потерь энергии. В результате они могут достигать эффективности 80-90% или выше.

Компактный размер и легкий вес

Импульсные источники питания обычно более компактны и легки, чем линейные источники питания, в первую очередь потому, что они требуют меньших радиаторов и трансформаторов. Уменьшенный размер и вес делают их идеальным выбором для портативных и ограниченных по площади приложений.

Широкий диапазон входного напряжения

Импульсные источники питания могут работать с широким диапазоном входных напряжений, что делает их пригодными для использования в различных регионах с различными стандартами электропитания. Некоторые модели даже имеют универсальную поддержку входного напряжения, поддерживающую входное напряжение от 100 В до 240 В переменного тока.

Как насчет применения импульсных источников питания?

Импульсные источники питания широко используются в различных электронных устройствах и системах, в том числе:

Бытовая электроника

Телевизоры, компьютеры, смартфоны и игровые приставки используют импульсные источники питания для обеспечения эффективного и стабильного питания своих внутренних компонентов.

Промышленное применение

Импульсные источники питания обычно используются в системах автоматизации, производственном оборудовании и других промышленных приложениях, требующих точного регулирования напряжения и энергоэффективности.

Телекоммуникации

В телекоммуникационном оборудовании, таком как базовые станции, сетевые коммутаторы и маршрутизаторы, используются импульсные источники питания для удовлетворения высоких требований к питанию при минимальном энергопотреблении.

Медицинское оборудование

В медицинском оборудовании, включая мониторы пациентов, системы диагностической визуализации и лабораторные инструменты, часто используются импульсные источники питания для обеспечения безопасной и надежной работы критически важных компонентов.

Как выбрать импульсный источник питания

Определите требования к мощности

Прежде чем выбрать импульсный источник питания, рассмотрите конкретные потребности вашего приложения в мощности, в том числе:

Выходное напряжение: Выберите источник питания с соответствующей выходной мощностью напряжение для вашего устройства или системы.

Выходной ток: Убедитесь, что источник питания обеспечивает достаточный ток для удовлетворения требований вашей нагрузки.

Диапазон входного напряжения: Выберите источник питания с диапазоном входного напряжения, который соответствует вашей местной электросети.

Оценка дополнительных функций и характеристик

Помимо основных требований к питанию, рассмотрите любые дополнительные функции или характеристики, которые могут иметь отношение к вашему приложению:

Эффективность: Более эффективные источники питания генерируют меньше тепла и потенциально потребляют меньше энергии экономия на эксплуатационных расходах.

Размер и форм-фактор: В зависимости от ограниченного пространства вашего приложения вам может потребоваться выбрать компактный блок питания или блок питания определенного форм-фактора.

Сертификаты безопасности: Убедитесь, что блок питания имеет необходимые сертификаты безопасности для вашего региона.

Условия окружающей среды: Проверьте диапазон рабочих температур источника питания, допустимую влажность и класс защиты от проникновения загрязнений, чтобы убедиться, что он может выдерживать условия окружающей среды вашего приложения.

Обратитесь к ресурсам производителя и советам экспертов

Мы часто предоставляем подробные спецификации, примечания по применению и справочные проекты, чтобы помочь вам выбрать источник питания, соответствующий вашим потребностям. Кроме того, обращение за советом к опытным инженерам или представителям службы технической поддержки может дать ценную информацию и рекомендации.

Заключение

Импульсные источники питания стали неотъемлемой частью современной электроники благодаря своему высокому КПД, компактным размерам и универсальности. Понимая принципы и преимущества импульсных источников питания, а также их разнообразные области применения, вы можете с уверенностью выбрать правильный источник питания для ваших конкретных требований.