Полумостовая схема импульсного блока питания: Полумостовая схема блока питания — RadioRadar

Содержание

Импульсный блок питания из сгоревшей лампочки

Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час. На изготовление 100-ваттного блока питания понадобится несколько часов.

Построить блок питания будет ненамного сложнее, чем прочитать эту статью. И уж точно, это будет проще, чем найти низкочастотный трансформатор подходящей мощности и перемотать его вторичные обмотки под свои нужды.

 

Оглавление статьи.

  1. Вступление.
  2. Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.
  3. Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?
  4. Импульсный трансформатор для блока питания.
  5. Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.
  6. Блок питания мощностю 20 Ватт.

     

  7. Блок питания мощностью 100 ватт
  8. Выпрямитель.
  9. Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?
  10. Как наладить импульсный блок питания?
  11. Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

 

Вступление.

В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.

Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим.

В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют. А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

 

Вернуться наверх к меню

 

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для преобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.

А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

 

Вернуться наверх к меню

 

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом.

Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Вернуться наверх к меню

 

Импульсный трансформатор для блока питания.

 

Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше. 🙂 Проверено на практике.

Здесь подробно рассказано, как произвести самые простые расчёты импульсного трансформатора, а так же, как его правильно намотать… чтобы не пришлось подсчитывать витки. 🙂

Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.

Вернуться наверх к меню

 

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

 

Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.

Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мыльниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

 

Вернуться наверх к меню

 

Блок питания мощностью 20 Ватт.

 

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт. Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц. Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц Температура трансформатора – 60ºС Температура транзисторов – 42ºС

 

Вернуться наверх к меню

 

Блок питания мощностью 100 Ватт.

Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

 

Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

 

Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз. 1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз бо’льшие предельно-допустимые токи.

Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.

Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

На чертеже изображено соединение транзистора с радиатором охлаждения в разрезе.

 

  1. Винт М2,5.
  2. Шайба М2,5.
  3. Шайба изоляционная М2,5 – стеклотекстолит, текстолит, гетинакс.
  4. Корпус транзистора.
  5. Прокладка – отрезок трубки (кембрика).
  6. Прокладка – слюда, керамика, фторопласт и т.д.
  7. Радиатор охлаждения.

А это действующий стоваттный импульсный блок питания.

 

Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.

 

Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.

Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.

Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.

Температура транзисторов – 75ºC.

Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².

Температура дросселя TV1 – 45ºC.

TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)

Вернуться наверх к меню

 

Выпрямитель.

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

 

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

 

1. Мостовая схема.

2. Схема с нулевой точкой.

 

Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

 

Пример.

Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ватт.

 

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

 

Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

 

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

 

Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности. 🙂


 

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.

 

Вернуться наверх к меню

 

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

 

Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.

При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.

 

На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку между исследуемым ИБП и осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.

 

А это уже изображение реального стенда для ремонта и наладки импульсных БП, который я изготовил много лет назад по схеме, расположенной выше.

 

Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.

Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.

 

Будьте осторожны, берегитесь ожога!

 

Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!

То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.

Вернуться наверх к меню

 

Как наладить импульсный блок питания?

Собственно, блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.

Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.

Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.

Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.

Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65ºС, то нужно уменьшить мощность нагрузки.

Не рекомендуется доводить температуру трансформатора выше 60… 65ºС, а транзисторов выше 80… 85ºС.

Вернуться наверх к меню

 

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

R0 – ограничивает пиковый ток, протекающий через диоды выпрямителя, в момент включения. В КЛЛ также часто выполняет функцию предохранителя.

VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.

L0, C0 – фильтр питания.

R1, C1, VD2, VD8 – цепь запуска преобразователя.

Работает узел запуска следующим образом. Конденсатор C1 заряжается от источника через резистор R1. Когда напряжения на конденсаторе C1 достигает напряжения пробоя динистора VD2, динистор отпирается сам и отпирает транзистор VT2, вызывая автоколебания. После возникновения генерации, прямоугольные импульсы прикладываются к катоду диода VD8 и отрицательный потенциал надёжно запирает динистор VD2.

R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.

R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.

R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.

R3, R4 – предотвращают насыщение транзисторов и исполняют роль предохранителей при пробое транзисторов.

VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.

TV1 – трансформатор обратной связи.

L5 – балластный дроссель.

C4, C6 – разделительные конденсаторы, на которых напряжение питания делится пополам.

TV2 – импульсный трансформатор.

VD14, VD15 – импульсные диоды.

C9, C10 – конденсаторы фильтра.

Вернуться наверх к меню

 

Источник http://oldoctober.com/

лучшие простые и сложные схемы и сборки

Автор Акум Эксперт На чтение 9 мин Просмотров 12.6к. Опубликовано Обновлено

Во многих радиолюбительских конструкциях используются импульсные блоки питания (БП). Они отличаются небольшими размерами при значительной мощности. Такое уменьшение стало возможным благодаря высокой частоте. На таких частотах можно получить на выходе большое напряжение при небольшом количестве витков. Например, чтобы получить напряжение 12 В при токе равном 1 А, требуется намотать всего пять витков. Кроме того, импульсные БП имеют высокий коэффициент полезного действия, так как потери на трансформаторе очень небольшие.

Эти блоки питания имеют и недостатки: они создают высокочастотные помехи и предъявляют высокие требования к нагрузке. Последняя не должна быть больше или меньше той, на которую рассчитан блок питания.

Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?

Иногда покупка готового импульсного блока питания является экономически нецелесообразной. В таком случае, если вы разбираетесь в электронике и умеете паять, можете сами сделать импульсный БП. Он пригодится для питания различного низковольтного электроинструмента, чтобы избежать расходования ограниченного ресурса дорогой аккумуляторной батареи. Можно также сделать зарядное устройство для смартфона, ноутбука или других мобильных гаджетов.

Прежде чем приступить к изготовлению источника питания, нужно знать, где он будет использоваться. В зависимости от области его применения определяется мощность изделия. Мощность должна выбираться с запасом. Считается, что импульсный блок питания имеет самый высокий КПД при нагрузке 60-90%.

Кроме того, требуется выбрать схему источника питания, а также определить, должно ли на выходе быть стабильное напряжение и нужно ли для этого вводить обратную связь. Обратите внимание на его номинальные параметры: напряжение, ток и мощность.

Как работает импульсный блок питания

На вход импульсного блока питания подается переменное напряжение от электрической сети. Оно преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя и фильтра. В качестве фильтра используется конденсатор большой емкости. В качестве выпрямителя используется однополупериодная или двухполупериодная схема. Ниже приведены типовые схемы, но в нашем случае мы не берем во внимание то, что на них изображена обмотка трансформатора.

Схемы выпрямителей

Затем выпрямленное напряжение приходит на высокочастотный преобразователь, который генерирует электрические колебания с частотой в диапазоне от 20 кГц до 50 кГц. После этого напряжение понижается трансформатором до требуемого и снова выпрямляется, сглаживаясь конденсатором.

Такое отфильтрованное и выпрямленное постоянное напряжение используется для питания бытовой техники. Кроме того, с выхода БП идёт цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения.

Схема работы импульсного блока питания

Для управления и стабилизации напряжения на выходе источника питания используется широтно-импульсная модуляция. Как показано на схеме, высокочастотный преобразователь приводится в действие генератором ШИМ и таким образом регулирует напряжение, подаваемое на понижающий трансформатор. Обратная связь является отрицательной, то есть значения напряжения на ШИМ контроллере и на понижающем трансформаторе обратно пропорциональны друг другу. Так, при увеличении выходного напряжения растет также напряжение на контроллере. Благодаря отрицательной связи уменьшается напряжение на понижающем трансформаторе, а значит, и на выходе блока питания.

Схемы импульсных БП

В зависимости от конструкции сетевого выпрямителя выделяют три разновидности схем импульсного блока питания:

  • для однополупериодной схемы требуется минимальное количество деталей, она проста в реализации, но имеет один недостаток – высокую пульсацию на выходе;
  • конструкция со средней точкой отличается низким уровнем пульсаций. Основной недостаток в том, что необходимо организовывать среднюю точку во входном трансформаторе;
  • мостовая схема имеет низкие показатели пульсации и не требует наличия средней точки. Для реализации такой схемы потребуется четыре транзистора.
Разновидности высокочастотного преобразователя

По конструкции высокочастотного преобразователя импульсные блоки питания делятся на две категории: однотактные и двухтактные. Двухтактные источники питания могут быть спроектированы по следующим схемам: с нулевой точкой (пушпульная), полумостовая и мостовая.

Кроме вышеперечисленных схем преобразователя, существует отдельная разновидность конструкций – это обратноходовые преобразователи. Их основными элементами являются накопительные дроссели. Работа в таких схемах происходит в два этапа. Первый заключается в накоплении энергии, полученной от источника питания, в дросселе. Во время второго этапа запасенная энергия передается во вторичную цепь. На первом шаге ключ замкнут, и напряжение источника питания прикладывается к дросселю (первичной обмотке трансформатора).

В результате ток в первичной цепи возрастает, а вместе с ним и магнитный поток. Ток во вторичной цепи отсутствует, так как диод препятствует его росту. На второй стадии ключ размыкается, и ток, проходящий через первичную обмотку, пропадает. Однако магнитный поток не может мгновенно исчезнуть, и во вторичной цепи индуцируется ЭДС, направленное в обратную сторону. Затем начинает протекать ток, который открывает диод. В результате энергия запасается на конденсаторе и поступает на нагрузку. На первом этапе на нагрузку подается энергия, запасенная конденсатором во время второго этапа. Рассматривая схемы, обратите внимание на точки около обмоток трансформатора — это точки начала обмоток, и для обратноходового преобразователя характерно именно такое подключение элементов.

Этапы работы обратноходового источника питания

Как собрать: пошаговая инструкция

Для тех, кто хочет собрать импульсный блок питания своими руками, приведем несколько схем сборки.

Самый простой вариант маломощного импульсного блока питания

Рассмотрим схему импульсного блока питания мощностью до 2 Вт. Выпрямитель и фильтр в нем собраны на резисторе R1 (от 25 до 50 Ом), диоде VD1 и конденсаторе С1 (20,0 мкФ, 400 В). В качестве высокочастотного преобразователя выступает автогенератор, собранный на транзисторе VT1, трансформаторе TR1, частотозадающей цепи резисторе R2 (470 кОм) и конденсаторе С2 (3300 пкФ, 1000 В). Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается электролитическим конденсатором С3 (47 пФ, 50 В).

Импульсный БП на одном транзисторе

В качестве сердечника для трансформатора подойдет любой от нерабочего трансформатора, использовавшегося в зарядке мобильного телефона или в другом маломощном источнике питания. Намотка происходит в следующем порядке:

  • сначала мотаем 200 витков первичной обмотки медным проводом сечением 0,08-0,1 мм;
  • изолируем первичную обмотку и мотаем 5 витков базовой обмотки тем же проводом;
  • производим намотку вторичной обмотки. Диаметр провода – 0,4 мм. Количество витков зависит от того, какое напряжение нужно получить на выходе из расчета один виток на один вольт.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос

Внимание! Между половинками магнитного сердечника должен присутствовать небольшой немагнитный зазор. Обычно он уже есть на сердечниках, взятых с трансформаторов зарядных устройств смартфонов. Если его нет, положите слой бумаги между половинками сердечника.

Готовый трансформатор стягиваем изолентой или скотчем.

Готовый трансформатор в сборе

Однотактный, обратноходовый импульсный блок питания

Рассмотрим однотактный блок питания, сделанный по автогенераторной схеме с самовозбуждением. Напряжение на выходе – 16 В, мощность устройства – 15 Вт.

На входе устройства переменное напряжение электрической сети выпрямляется при помощи диодного моста, собранного на диодах D1-D4 (можно использовать любые диоды, рассчитанные на напряжение 400 В и ток 0,5 А, например, N4007). За сглаживание пульсаций отвечает конденсатор С1 (20 мкФ, 400 В). Для предотвращения броска тока при включении служит резистор R1 (25-50 Ом).

Начальное смещение на базе транзистора Т1 (можно использовать 13003 или 13005) устанавливается резистором R2 (470 кОм) и диодом D6 (N4007). Чтобы сгладить скачки напряжения, возникающие при закрытии Т1, в схему включены такие элементы, как: конденсатор С2 (3300 пФ 1000 В), диод D5 (N4007) и резистор R3 (30 кОм 1 Вт либо можно использовать два резистора по 15 кОм).

Импульсы положительной обратной связи, необходимые для поддержания режима автоколебаний, через резистор R4(150 Ом) и конденсатор С3(47 пФ, 50 В) подаются на базу Т1. Цепочка состоящая из Т2, R5 (1,5 кОм), Д9 (стабилитрон КС515), нужна для стабилизации напряжения.

Высокочастотный преобразователь собран по обратноходовой схеме. Когда Т1 открыт, энергия накапливается на трансформаторе, при этом диод D7 (КД213 использовать совместно с радиатором площадью 10 см2) находится в закрытом состоянии. После закрытия транзистора Т1 происходит отдача запасенной магнитной энергии, диод D7 открывается, во вторичной цепи появляется ток, конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Конденсаторы С4 (2200 пФ) и С5 (0,1 мкФ) нужны для уменьшения помех.

Схема однотактного, обратноходового импульсного блока питания

Стабилизация выходного напряжения происходит по схеме, описанной далее. При включении прибора в сеть запускается генератор. На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превысит 16,3 В открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и закорачивает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, и конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на С6 становится меньше 16,3 вольт, стабилитрон D9 закрывается и закрывает Т2. Благодаря этому Т1 открывается и работа генератора возобновляется.

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

Лампочки можно взять любые маломощные, рассчитанные на напряжение от 24 до 36 В и ток от 100 до 200 мА.

Мощный импульсный источник питания

Рассмотрим импульсный БП с выходной мощностью 300 Вт.

Генератором в данной конструкции является интегральная микросхема TL494. Управляющие сигналы с выхода этой ИС подаются поочередно на МОП (MOSFET) транзисторы VT1 и VT2 (IRFZ34). Импульсы с этих транзисторов через трансформатор, формирователь импульсов приходят на мощные транзисторы VT3 и VT4 (IRFP460). Преобразователь сделан на мощных транзисторах VT3 и VT4 по полумостовой схеме.

Схема мощного блока питания

Все четыре обмотки трансформатора TR1 намотаны проводом 0,5 мм и содержат по 50 витков. В трансформаторе TR2 первая обмотка состоит из 110 витков провода диаметром 0,8 мм. Количество витков обмотки номер два зависит от желаемого напряжения на выходе, из расчета один виток на два вольта. Обмотка три наматывается 12 витками провода диаметром 0,8 мм.

Проверка конструкции

Перед первым включением БП нужно проверить. В первую очередь проверяется монтаж, например, могли остаться следы от пайки, несмытый флюс. Какой-либо компонент, установленный на плате, может оказаться неисправным.

Если с монтажом все в порядке, можно приступать ко второй стадии проверки с помощью лампочки. В качестве лампочки можно использовать любую лампу накаливания. Для этого подключаем изготовленный нами источник питания последовательно с лампочкой, как показано на рисунке ниже.

Схема проверки с помощью лампочки.

Если лампочка не светится, значит, в цепи БП есть обрыв. Нужно проверить дорожки платы, дроссель, диодный мост.

Лампочка постоянно горит. В блоке питания короткое замыкание. Причина может быть в пробое конденсаторов, транзисторов. Нужно также проверить дорожки печатной платы, выходные цепи трансформатора.

Если лампочка вспыхнула и погасла, значит, БП исправен, конденсаторы зарядились.

Спасибо, помогло!9Не помогло2

Двухтактные преобразователи (упрощенный расчет) /index php?name=ezcms&page_id=1594 — Документ

    Как видно из схем они отличаются лишь емкостями фильтров первичного питания и используемыми силовыми транзисторами. Емкость фильтров первичного питания расчитывается из отношения 1 мкФ на 1 Вт выходной мощности, а силовые транзисторя олжны иметь максимальный ток минимум на 30% больше чем ток протекающий через первичную обмотку силового трансформатора при максимальной мощности. Для большей наглядности емкости фильтров первичного питания и рекомендуемые силовые транзисторы сведены в таблицу.

Суммарная мощность блока питания

Суммарная емкость конденсаторов первичного питания

Рекомендуемые силовые транзисторы

400 Вт

400 мкФ (2 шт по 220 мкФ)

IRF840, IRF740, STP8NK80Z, STP10NK60Z

600 Вт

600 мкФ (2 шт по 330 мкФ)

IRF740, STP14NK60Z, STP10NK60Z, IRFB18N50K

1000 Вт

1000 мкФ (2 шт по 470 мкФ)

IRF740, STP14NK60Z, STP10NK60Z, IRFB18N50K

1500 Вт

1300 мкФ (2 шт по 680 мкФ)

STP14NK60Z, STP25NM50N, SPA20N60C3, STP17NK40ZPFP, IRFP450, IRFP460

2000 Вт

2000 мкФ (2 шт по 1000 мкФ)

STP25NM50N, SPA20N60C3, IRFP360, IRFP460, IRFP22N60K, SPW20N60C3

КРАСНЫЕ — корпус ТО-220, СИНИЕ — корпус ТО-247

    Несколько слов об алгоритме работы данного блока питания:
    В момент подачи сетевого напряжения 220 В емкости фильтров первичного питания С15 и С16 заражаются через резисторы R8 и R11, что не позволяет перегрузиться лиолному мосту VD током короткого замыканияполностью разряженных С15 и С16. Одновременно происходит зарядка конденсаторов С1, С3, С6, С19 через линейку резисторов R16, R18, R20 и R22, стабилизатор 7815 и резистор R21.
    Как только величена напряжения на конденсаторе С6 достигнет 12 В стабилитрон VD1 «пробивается» и через него начинает течть ток заряжая конденсатор C18 и как только на плюсовом выводе этого конденсатора будет достигнута величина достаточная для открытия тиристора VS2 он откроется. Это повлечет включение реле К1, которое своими кнтактами зашунтирует токоограничивающие резисторы R8 и R11.Кроме этого открывшийся тиристор VS2 откроет транзистор VT1 и на контроллер TL494 и полумостовой драйвер IR2110. Контроллер начнет режим мягкого старта, длительность которого зависит от номиналов R7 и C13.
    Во время мягкого старта длительность импульсов, открывающих силовые транзисторы увеличиваются постепенно, тем самым постепенно заряжая конденсаторы вторичного питания и ограничивая ток через выпрямительные диоды. Длительность увеличивается до тех пор, пока величина вторичного питания не станет достаточной для открытия светодиода оптрона IC1. Как только яркость светодиода оптрона станет достаточной для открытия транзистора длительность импульсов перестанет увеличиваться (рисунок4).


Рисунок 4. Режим мягкого старта.

    Тут следует отметить, что длительность мягкого старта ограничена, поскольку проходящего через резисторы R16, R18, R20, R22 тока не достаточно для питания контроллера TL494 и драйвера IR2110 напряжение питания этих микросхем начнет уменьшаться и вскоре уменьшиться до величины, при которой TL494 перестанет вырабатывать импульсы управления. И именно до этого момента режим мягкого старта должен быть окончен и преобразователь должен выйти на нормальный режим работы, поскольку основное питание контроллер TL494 и дрейвер IR2110 получают от силового трансформатора (VD9, VD10 — выпрямитель со средней точкой, R23-C1-C3 — RC фильтр, IC3 — стабилизатор на 15 В) и именно поэтому конденсаторы C1, C3, C6, C19 имеют такие большие номиналы — они должны удерживать величнину питания контроллера до выхода его на обычный режим работы.
    Стабилизация выходного напряжения происходит путем изменения длительности импульсов управления силовыми транзисторами при неизменной частоте — Широтно Импульсная Модуляция — ШИМ. Это возможно лишь при условии, когда величина вторичного напряжения силового трансформатора выше требуемой на выходе стабилизатора минимум на 30%, но не более 60%.


Рисунок 5. Принцип работы ШИМ стабилизатора.

    При увеличении нагрузки выходное напряжение начинает уменьшаться, светодиод оптрона ШС1 начинает светиться меньше, транзисторы оптрона закрывается, тем самым увеличивая длительность импульсов управления до тех пор, пока действующее напряжение не достигнет величины стабилизации (рисунок 5). При уменьшении нагрузки напряжение начнет увеличиваться, светодиод оптрона IC1 начнет светиться ярче, тем самым открывая транзистор и уменьшая длительность управляющих импульсов дотех пор, пока величина действующего значения выходного напряжения не уменьшиться до стабилизируемой величины. Величину стабилизируемого напряжения регулируют подстроечным резистором R26.
    Следует отметить, что контроллером TL494 регулируется не длительность каждого импулься в зависимости от выходного напряжения, а лишь среднее значение, т.е. измерительная часть имеет некотрую инерционость. Однако даже при установленных конденсаторах во вторичном питании емкостью 2200 мкФ провалы питания при пиковых кратковременных нагрузках не превышают 5 %, что вполне приемлемо для аппаратуры HI-FI класса. Мы же обычно ставим конденсаторы во вторичном питании 4700 мкФ, что дает уверенный запас на пиковые значения, а использование дросселя групповой стабилизации позволяет контролировать все 4 выходных силовых напряжения.
    Данный импульсный блок питания оснащен защитой от перегрузки, измерительным элементом которой служит трансформатор тока TV1. Как только ток достигнет критической величины открывается тиристор VS1 и зашунитрует питание оконечного каскада контроллера. Импульсы управления исчезают и блок питания переходит в дежурный режим, в котором может находиться довольно долго, поскольку тиристор VS2 продолжает оставаться открытым — тока протекающего через резисторы R16, R18, R20 и R22 хватает для удержание его в открытом состоянии.
    Для вывода блока питания из дежурного режима необходимо нажать кнопку SA3, которая своим контактами зашунтирует тиристор VS2, ток через него перестанет течь и он закроется. Как только контакты SA3 разомкнуться транзистор VT1 закроется тме самы снимая питания с контроллера и драйвера. Таким образом схема управления перейдет в режим минимального потребления — тиристор VS2 закрыт, следовательно реле К1 выключено, транзистор VT1 закрыт, следовательно контроллер и драйвер обесточены. Конденсаторы С1, С3, С6 и С19 начинают заряжаться и как только напряжение достигнет 12 В откроется тиристор VS2 и произойдет запуск импульсного блока питания.
    При необходимости перевести блок питания в дежурный режим можно воспользоваться кнопкой SA2, при нажатии на которую будут соеденены база и эмиттер транзистора VT1. Транзистор закроется и обесточит контроллер и драйвер. Импульсы управления исчезнут, исчезнут и вторичные напряжения. Однако питание не будет снято с реле К1 и повторного запука преобразователя не произойдет.
    Расположение деталей на печатной плате показано на рисунке 6. Сразу следует оговориться — этот импульсный блок питания не для начинающих, поэтому некоторые номиналы на чертеже не проставлены, чтобы более опытные смогли разобраться, а начинающих это должно остановить.


Рисунок 6. Расположение деталей на плате сетевого импульсного блока питания для усилителей мощности до 1000 Вт.
УВЕЛИЧИТЬ     СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

    Немного крупнее и мощнее печатная плата показанная на рисунке 7. На ней установлены диоды вторичного питания в корпусе ТО-247, а в этом корпусе есть диоды с током до 80 А и 1200 В, а так же более крупный силовой трансформатор.


Рисунок 7. Расположение деталей на плате сетевого импульсного блока питания для усилителей мощности до 1000 Вт.
УВЕЛИЧИТЬ     СКАЧАТЬ В ФОРМАТЕ LAY

    Немного о деталях:
    Силовой трансформатор мы изготавливаем на сердечниках от строчных трансформаторов телевизоров. Однако схожие параметры можно получить и на феритовых кольцах, правда частоту преобразования не стоит поднимать выше 70 кГц, поскольку даже уже на этой частоте феррит 2000 начинает греться из за внутренних потерь. В качестве дросселя групповой стабилизации мы используем сердечник от ТПИ. Обмотки распологаются встречно, как показанно на принципиальной схеме. Сечение проводников расчитывается из отношения 3-4 А на мм кв. Обмотки наматываются до заполнения окна. В случае использвания в качестве сердечника для дросселя групповой стабилизации ферритового кольца лучше использовать кольцо К40х25х11. Обмотки мотаются до уменьшения отверстия внутри до 14…16 мм. В качестве дополнительных фильтрующих индуктивностей мы используем сердечники от фильтров сетевого питания телевизоров, но эти фильтры можно намотать и на кольцах диаметром 20…25 мм. Обмотка мотается до заполнения, тем же проводом, что и дроссель групповой стабилизации.
    При необходимости получить блок питания для усилителя с двухуровневым питанием выходные напряжения блока питания следует соеденить по схеме рисунка 8.


Рисунок 8. Схема соединений выходных напряжений для усилителя с двухуровневым питанием.

   
    НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕНОСТИ ДАННЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ
    Если повнимательней расмотреть принципиальную схему, то станет ясно, что контролируется лишь напряжение силовой части. Однако с этого же силового трансформатора производится и питание самой управляющей части блока. Поэтому без нагрузки в силовой части контролируеммое напряжение достигнув своей величины сократит длительность управляющих импульсов вплоть до их полного исчезновения. Это повлечет обесточивание контроллера TL4949 и драйвера IR2110 и блок питания просто отключится.
    Поэтому данный блок питания без нагрузки отрегулировать нельзя. Для регулировки в качестве нагрузки следует все силоывые напряжения нагрузить резисторами мощностью 2 Вт и сопротивлением 4,7к…6,8к. При выходном напряжении 60…90 В это будет имитировать ток покоя усилителй мощности. При более низком выходном напряжении сопротивление следует немного уменьшить.
   
   
    Почему мощность ограничена 2000 Вт и что можно сделать для увеличения мощности можно почитать тут.

Как за час сделать импульсный блок питания из сгоревшей лампочки?

/ru/smps/

Очень похоже на квазирезонансный полумост из второго файла по теме.

Близкие темы.

Как намотать импульсный трансформатор для сетевого блока питания?

Как разобрать энергосберегающую лампу (КЛЛ)?

Энергосберегающие лампы “Vitoone” — технические данные и схема.

Схема и техническая информация по энергосберегающим лампам Osram.

Оглавление статьи.

  1. Вступление.

  2. Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.

  3. Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

  4. Импульсный трансформатор для блока питания.

  5. Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

  6. Блок питания мощностю 20 Ватт.

  7. Блок питания мощностью 100 ватт

  8. Выпрямитель.

  9. Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

  10. Как наладить импульсный блок питания?

  11. Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

Вступление.

В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.

В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.

Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим./

В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют. А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.

Вернуться наверх к меню

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.

Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для предобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.

А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора.

Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.

Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.

Вернуться наверх к меню

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.

Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.

В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.

Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.

В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.

Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.

Вернуться наверх к меню

Импульсный трансформатор для блока питания.

Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше. Проверено на практике.

Здесь подробно рассказано, как произвести самые простые расчёты импульсного трансформатора, а так же, как его правильно намотать… чтобы не пришлось подсчитывать витки.

Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.

Вернуться наверх к меню

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.

Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.

Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мальниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.

Вернуться наверх к меню

Блок питания мощностью 20 Ватт.

Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.

На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.

Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.

Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!

Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.

Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.

Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.

Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.

На картинке действующая модель БП.

Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт. Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц. Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц Температура трансформатора – 60ºС Температура транзисторов – 42ºС

Вернуться наверх к меню

Блок питания мощностью 100 Ватт.

Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.

Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.

Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.

Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз бо’льшие предельно-допустимые токи.

Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.

Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.

Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.

Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!

На чертеже изображено соединение транзистора с радиатором охлаждения в разрезе.

  1. Винт М2,5.

  2. Шайба М2,5.

  3. Шайба изоляционная М2,5 – стеклотекстолит, текстолит, гетинакс.

  4. Корпус транзистора.

  5. Прокладка – отрезок трубки (кембрика).

  6. Прокладка – слюда, керамика, фторопласт и т.д.

  7. Радиатор охлаждения.

А это действующий стоваттный импульсный блок питания.

Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.

Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.

Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.

Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.

Температура транзисторов – 75ºC.

Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².

Температура дросселя TV1 – 45ºC.

TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)

Вернуться наверх к меню

Выпрямитель.

Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

1. Мостовая схема.

2. Схема с нулевой точкой.

Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.

Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.

Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.

Пример.

Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ват.

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности.

В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.

Вернуться наверх к меню

Импульсный источник тока схема

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.

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.

Импульсный блок питания светодиодов представляет собой выпрямитель с фильтром и понижающий преобразователь с обратной связью по току. Для построения источников тока для мощных светодиодов часто используются микросхемы ШИМ-контроллеры Supertex HV9910B, HV9961. Стандартные схемы включения этих микросхем мало отличаются, при некоторых условиях они взаимозаменяемы. HV9961 более дорогая, т.к. обеспечивает контроль среднего тока светодиодов, а не пикового. Есть другие отличия, о которых можно прочесть на сайте производителя, документ AN-H64. Я взял HV9961, говорят, она более живуча.
Расчет, изготовление и тестирование источника на микросхеме HV9961 под катом.

Мне нужен был блок, питающий током 750 мА 10 СИДов Cree XM-L. Оценим выходное напряжение блока: Vout = 10 * Vled при 750 мА = 29 В. Пусть пульсации тока будут меньше +-15% (я не знаю, как их величина влияет на работу светодиодов). Имелся корпус G1022BF, что накладывает ограничения на размер платы блока питания. Таким образом, исходные данные:
напряжение питания: 220 В, 50 Гц;
выходное напряжение: 30 В;
выходной ток: 750 мА;
пульсации тока: менее +-15%;
размер платы: менее 100х60 мм.

За основу берем стандартную схему включения:

Это понижающий преобразователь, для простоты ток измеряется в цепи истока переключающего транзистора и усредняется. На контакт Vin можно подавать высокое напряжение, которое питает встроенный регулятор напряжения 7,5 В, вывод регулятора – Vdd. PWMD и LD служат для плавной регулировки тока светодиодов. Резистор Rt задает частоту переключения (точнее, время паузы), Rcs – ток на СИДах. При питании от сети 220 нужно добавить выпрямитель и фильтр.

1. Частота переключения. Частота переключения в схеме не фиксированная, задается только время паузы. Для номинальных напряжений на входе (310 В после выпрямителя) и выходе коэффициент заполнения . С другой стороны, , где tu – время проводимости, tn – время паузы, f – частота переключения. Сопротивление резистора Rt определяется из выражения . Возьмем Rt = 330 кОм, это соответствует времени паузы 13,5 мкс и номинальной частоте 73 кГц. Чем выше частота, тем меньшего размера будет катушка и тем больше потери на переключение на транзисторе.

2. Регулировка тока. Токозадающий резистор. Rcs = 0.272 В / Iled = 0,363 Ом. Я решил взять Rcs = 0,33 Ом, т.е. 3 резистора по 1 Ом в параллель, что соответствует току 824 мА и сделать плавную регулировку тока с помощью вывода LD микросхемы. В описании сказано, что регулировка тока осуществляется, когда на выводе LD напряжение от 0 до 1,5 В. Подключаем делитель напряжения к напряжению 7,5 В. Необходимые сопротивления несложно посчитать, результат показан на окончательной схеме.
Можно проверить, сколько мощности выделяется на токозадающих резисторах: 824 Ма*272 мВ = 224 мВт, на каждом резисторе 75 мВт. Используем типоразмер 0805 (125 мВт).

3. Катушка индуктивности. Для пульсаций тока менее +-15% (полный размах 0,3*750 мА) индуктивность должна быть больше

Пиковый ток на катушке будет 750 мА +15% = 863 мА.2 = 1,62 мГн. Индуктивность получилась немного меньше, значит пульсации побольше +-15%, что меня устроило.
Теперь надо посчитать индукцию при максимальном токе и убедиться, что сердечник не насыщается. По формуле 8 из [2] и данным из программы (Al = 200 нГн, mui = 71) для тока 1 А (с запасом) получаем индукцию 183 мТл, что меньше 300 мТл и, значит, насыщения нет.
В итоге изготавливаем дроссель на сердечнике КВ10 М2500НМС1 с прокладками 0,3 мм с 90 витками эмальпроводом с внешним диаметром 0,7 мм. Желательно залить клеем или лаком после изготовления.

4. Транзистор. Транзистор должен с запасом выдерживать максимальное входное напряжение 310 В. Выберем транзистор с максимальным напряжением сток-исток 500 В. Максимальный среднеквадратичный ток через транзистор Iout*sqrt(Vout/Vin) = 240 мА. Ток небольшой, его выдержит любой мощный полевик. Главный параметр для выбора – емкость или заряд затвора. Производитель микросхемы рекомендует заряд менее 25 нКл. Я взял IRF830A с максимальным зарядом затвора 24 нКл. Мощность, выделяющуюся на полевике, посчитать непросто, но радиатор явно не помешает.

5. Диод. Для диода те же требования по напряжению, что и для транзистора. Средний ток через диод Iout*(1 – Vout/Vin) = 680 мА. Выбираем SF28 600 В, 2 А. Падение напряжения на нем 1,5 В, значит будет выделяться мощность 1,5 В* 0,68 А = 1 Вт. Я решил использовать диод без радиатора. Для диода еще важным считается параметр время обратного восстановления, от него зависят потери на переключение, но расчет их довольно сложный и я его не проводил.

6. Входной конденсатор. Емкость выбирается исходя из условия, что минимальное напряжение после входного фильтра должно быть больше 2*Vout. В AN-h58 есть формула для расчета:

Для частоты 50 Гц, Vdc = 60 В и КПД 90% получаем С1>6,5 мкФ. Был выбран конденсатор 47 мкФ, 400 В исходя из габаритов и доступности. Параллельно установлен пленочный 0,47 мкФ 450 В для уменьшения ESR.
Замечание от sanmigel:

если внимательно почитать документацию на 9910 то можно увидеть что условие Vout +5

  • 15 мая 2011, 18:11
  • magnum16
  • Все своими руками Блок питания для инкубатора

    Импульсный блок питания для инкубатора

    Ранее в статье «Инкубатор для дома» был выложен материал, посвященный домашнему инкубатору имеющему питание от аккумулятора. В данной статье будет рассмотрена схема импульсного блока питания для данного инкубатора. Uвых = 13,5В, Iвых = 8А. Основой схемы является контроллер TL494 или его аналог КА7500, или отечественный аналог КР1114ЕУ4. Схема блока питания показана на рисунке ниже.


    Схема ИИП — что ни на есть классическая, двухтактная, полумостовая с самовозбуждением. Имеет защиту от короткого замыкания в цепи нагрузки. Подробно о защите от КЗ по длительности рабочих импульсов силовых транзисторов можно ознакомиться в статье «Защита импульсных блоков питания от КЗ». Схема пуска с самовозбуждением предназначена для получения напряжения, которым можно было бы запитать и запустить управляющий контроллер DD1 – TL494 после подключения ИИП к сети.

    Выпрямленное напряжение сети подается на резистивные делители R26,R27 и R28,R29 являющиеся базовыми для обоих силовых ключевых транзисторов VT5, VT6. Поэтому через транзисторы под воздействием суммарного напряжения на конденсаторах С10 и С11 начинает протекать базовый ток. Резисторы R15 и R18 выравнивают напряжения на этих конденсаторах и заодно разряжают конденсаторы после выключения ИИП. Базовый стартовый ток протекает по цепи (+)С11 –> R26 –> R31 –> б-э VT5 -> R28 –> R32 -> б-э VT6 -> «общий провод» первичной стороны —> (-)С10. В результате через участки коллектор-эмиттер обоих транзисторов начинают протекать взаимно противоположные токи по целям: через транзистор VT5: (+) C11 -> коллектор-эмиттер VT5 -> обмотка 5 и 6 Тр2 -> обмотка 1 и 2 ТР3 -> обмотка первичная Тр1 -> С12 -> (-) C11, через VT6: (+) C10 -> С12 -> обмотка первичная Тр1 -> обмотка 2 и 1 ТР3 -> обмотка 6 и 5 Тр2 -> коллектор-эмиттер VT6 -> (-) C10. Если бы оба инверсных тока, протекающие через дополнительную (пусковую) обмотку 5-6 Тр2 были бы равны, то результирующий ток был бы равен 0, и схема не смогла бы запуститься. Но в силу разброса коэффициентов усиления по току транзисторовVT5 и VT6 всегда один из этих токов будет больше другого. Поэтому результирующий ток через витки 5-6 Тр2 не равен 0 и имеет то или иное направление. Допустим, что преобладает ток через транзистор VT5, и следовательно, ток протекает в направлении от вывода 5 к выводу 6 Тр2. Протекание тока через обмотку 5-6 Тр2 вызывает появление ЭДС взаимоиндукции на всех обмотках управляющего (разделительного) трансформатора Тр2. При этом (+)ЭДС возникает на выводе 4 относительно вывода 5 и под воздействием этой ЭДС еще больше начинает увеличиваться ток базы транзистора VT5, это приводит к увеличению тока коллектора VT5. Одновременно на выводе 7 Тр2 появляется отрицательная ЭДС относительно вывода 8, т.е. полярность этой ЭДС оказывается запирающей для транзистора VT6 и он закрывается. Далее вступает в действие положительная обратная связь (ПОС). Действие ее заключается в том, что при возрастании тока через VT5 и витки 5-6 Тр2 на обмотке 4-5 Тр2 действует возрастающая ЭДС, которая, создавая дополнительный базовый ток для VT5, еще больше открывает его. Процесс этот развивается лавинообразно. Через открытый VT5 и первичную обмотку 1-2 силового импульсного трансформатора Тр3 начинает протекать линейно нарастающий ток, что вызывает появление ЭДС взаимоиндукции на всех обмотках Тр3. Импульс с обмотки 3-4 Тр3 заряжает накопительную емкость С18. На С18 появляется напряжение, которое через резистор R33 подается на вывод 12 управляющей микросхемы DD1 TL 494 и на согласующий каскад. Микросхема запускается и генерирует на своих выводах 11, 8 прямоугольные управляющие импульсы, которыми через согласующий каскад (VT3, VT4, Тр2) начинают переключаться силовые ключи VT и VT6. На всех обмотках силового трансформатора Тр3 появляются импульсы номинального уровня. При этом ЭДС с обмоток 3-4 и 4-5 постоянно подпитывают С18, поддерживая на нем неизменный уровень напряжения (около +27В). Другими словами, микросхема по кольцу обратной связи начинает запитывать сама себя. Блок выходит на рабочий режим. Напряжение питания DD1 и согласующего каскада является вспомогательным, действует только внутри блока.

    Согласующий каскад ИИП

    Двухтактный трансформаторный предварительный усилитель мощности, он же согласующий, реализован на транзистора VT3 и VT4. Коллекторными нагрузками транзисторов являются первичные полуобмотки импульсного трансформатора Тр2 и резистор общей нагрузки R30, который задает максимальную величину тока через транзисторы, в районе 20мА. Напряжение питания подается на среднюю точку первичной обмотки этот резистор и диод развязки VD8. На базы транзисторов VT3 и VT4 поступают последовательности прямоугольных импульсов с отрицательными передними фронтами. Из этого следует, что в промежутках между импульсами транзисторы открыты, т.к. к их базам приложено открывающее напряжение через резистивные делители напряжения R20,R21 и R22,R23. Под воздействием управляющих импульсов транзисторы поочередно закрываются. На эмиттерах поддерживается напряжение примерно равное +1,5В за счет цепочки VD14, VD15 и С20. Это напряжение позволяет осуществлять эффективное закрывание транзисторов. Действительно, после спада управляющего импульса на базе запираемого транзистора остается напряжение порядка 0,5 В, а на эмиттере данного транзистора, за счет элементов VD14, VD15 и С20 присутствует напряжение 1,5 В. Т.о. относительно эмиттера на базе будет напряжение минус один вольт – жесткий режим отсечки. Благодаря этому фронты коллекторных импульсов транзисторов предварительного каскада получаются очень крутыми. Диоды VD6 и VD7 демпфирующие, предназначены для гашения паразитных колебательных процессов, которые возникают при запирании транзисторов.

    Силовой каскад

    Силовой каскад в большинстве случаев реализуется по двухтактной полумостовой схеме и мало отличается в разных вариантах схем ИИП и эта схема не исключение. Конфигурация базовых целей выбрана такой, чтобы обеспечить оптимальный режим переключения для транзисторов VT5,VT6. При этом главным показателем эффективности переключения являются минимальные динамические потери мощности на ключевых транзисторах. Диоды VD4 и VD5 являются разделительными, они блокируют шунтирование обмотками трансформатора Тр2 базовых потенциалов мощных транзисторов. Конденсаторы С15 и С16 – это конденсаторы ускоряющие процессы переключения ключевых транзисторов. Диоды VD9 и VD10 предназначены для создания путей рекуперации, т.е. частичного возвращения запасенной энергии в индуктивности рассеяния трансформатора Тр3, который является нагрузкой силового каскада.

    Обмотки трансформатора Тр3 намотаны на сердечнике Ш12×20. Такой сердечник применялся в ИИП старых телевизоров. Но в таких трансформаторах у одной из половинок имеется конструктивный зазор, поэтому придется разобрать два трансформатора. Трансформатор рассчитывался для работы без принудительной вентиляции, поэтому плотность тока в обмотка выбрана 4 А/мм2. Но и при таких условиях трансформатор способен отдать в нагрузку мощность свыше 400Вт. Запас более чем в тир раза. Обмотка 1-2 мотается за два раза и имеет 15 + 15 витков провода D=0,71мм. Сначала наматывается 15 витков первичной обмотки, потом 4 +4 витков вторичной обмотки плоским жгутом провода D=0,71×4. Затем доматывается вторая часть первичной обмотки.

    Согласующий трансформатор я брал от старого ИИП компьютера. Но можно его намотать самим. Хотя для меня это уж больно муторно. Но тем не менее, коллекторные обмотки содержат по 35 витков провода 0,29мм, базовые – по 10 витков того же провода, пусковая обмотка 5-6 имеет два витка 0,29×3. В качестве сердечника можно использовать сердечники от дросселей энергосберегающих ламп. У одной из половинок таких сердечников так же имеется конструктивный зазор, поэтому придется разобрать два дросселя. Можно изготовить данный трансформатор и на кольце К20×12х6 из феррита М2000НМ, в таком случае обмотка 1-2-3 намотана проводом ПЭВ-2 0.4 равномерно по всему кольцу и содержит 2×28 витков; обмотки 4-5 и 7-8 по 9 витков провода ПЭВ-2 0,5. Обмотка 5-6 два витка провода МГТФ-О,8. Обмотки изолированы одна от другой и от магнитопровода двумя слоями тонкой фторопластовой ленты.

    В качестве мощных транзисторов VT5 и VT6 стоят Е13007. КПД блока питания при использовании таких транзисторов составляет 80%. VD11 и VD13 — MBRF20100CT. Др1 – дроссель сетевого фильтра – от старого ИИП от ПК. Выходной дроссель Др2, также используется от старого импульсного блока питания, имеет 19 витков провода Ф 2,0мм. Все детали ИИП размещены на печатной плате.

    Это четвертая версия топологии проводников печатной платы. Импульсные схемы очень чувствительны к конфигурации проводников «общей земли». Так у ИИП собранных на первых трех вариантах платы отмечалась неустойчивость в работе, звон передних фронтов импульсов, чрезмерный нагрев контроллера, температура радиаторов мощных транзисторов при 10А нагрузки была за +60°С. В данной плате тоже обнаружился недостаток, близко друг к другу стоят ДР2 и С19. С19 очень страдает из-за нагрева дросселя. Между ними необходим термоэкран в виде небольшой тонкой перегородочки из диэлектрика.

    На фото показан ИИП, собранный по второй версии печатной платы. Оригинал на момент написания статьи уже уехал, даже не сфотографировавшись.


    Внимание!!! Первое включение – только через лампу накаливания 60…100Вт.

    Частота генератора пилообразного напряжения контроллера 60кГц. Зависит от величины номиналов С7 и R13. R12, R14 и С13 – цепь мягкого запуска. R11 и С8 – цепь ООС усилителя ошибки. Регулировать выходное напряжение можно резистором R10. Между ним и выводом 1 контроллера на плате стоит перемычка. Вместо ее можно поставить потенциометр для регулировки выходного напряжения. Порог защиты по току можно регулировать R7.
    На этом всё. Успехов. К.В.Ю.

    Скачать статью

    Скачать “Блок-питания-для-инкубатора” Блок-питания-для-инкубатора.rar – Загружено 722 раза – 266 КБ

    Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

    Просмотров:1 416


    Схема работы импульсного блока питания

    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.

    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.

    Подробно рассмотрим, как работает импульсный блок питания (ИБП) любого типа. Сегодня такие компоненты являются основными источниками электрической энергии любой электронной аппаратуры. Аудио аппаратуру мы в счет не берем. Там по-прежнему доминируют линейные или трансформаторные блоки питания.

    Концепция ИБП известна давно. Однако реализация ее стала возможной относительно недавно. Этому способствовало появление управляемых полупроводниковых ключей с требуемыми характеристиками. В первую очередь речь идет о полевых транзисторах MOSFET. Сегодня MOSFET вытеснили практически все другие управляемые полупроводниковые приборы в области преобразователей электрической энергии малой и средней мощности. В преобразователях большой мощности лидирующие позиции занимают IGBT транзисторы, а также некоторые виды тиристоров.

    Главное и неоспоримое преимущество импульсных блоков питания по сравнению с линейными (трансформаторными) БП – это значительно меньший вес и габариты при равных мощностях. Для сравнения можно взять импульсный блок питания компьютера мощностью 500 Вт и только один трансформатор мощностью 500 ВА. Разница, особенно по массе, будет ощутима.

    Существует много схем ИБП. Однако все они сводятся к тому, чтобы снизить в первую очередь массу и габариты трансформатора. Почему именно трансформатора? Потому что он является самым громоздким, тяжелым и дорогим элемент блока питания.

    Чтобы хорошо представлять, как работает импульсный блок питания, сначала рассмотрим классическую схему линейного БП.

    Схема линейного блока питания

    Основные задачи любого промышленного БП заключаются в снижении переменного напряжения 220 В (230 В) до требуемой величины, затем его выпрямление, сглаживание и стабилизация.

    Поэтому любая схема линейного бока питания обязательно содержат как минимум следующие элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, узел стабилизации. Назначение каждого элемента было более полно рассказано здесь.

    Теперь, глядя на составляющие функциональной схемы линейного БП, давайте рассуждать, какие элементы приводят к росту его массы и веса. В качестве выпрямителя чаще служит диодный мост. Снизить его размеров не даст особого эффекта. Да и реализовать этот будет затруднительно.

    Узел стабилизации может быть реализован по-разному. Поэтому на нем мы тоже сэкономить мало что сможем. Остаются только два элемента: фильтр и трансформатор. Фильтр представляет собой электролитический конденсатор большой емкости. Но изменение его параметров, как мы увидим далее, не позволит получить сколь-нибудь ощутимый выигрыш. Остается исследовать возможности способы минимизации трансформатора.

    Основная задача его заключается в передаче мощности со стороны источника высокого на сторону низкого напряжения. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку высоковольтных с низковольтными цепями. Гальваническая развязка необходима для преимущественного большинства устройств по условиям безопасности, как персонала, так и низковольтного оборудования. А трансформатор, как никакой другой элемент выполняет эти и другие условия. При этом он имеет максимальный коэффициент полезного действия, достигающий 99 %. По этой причине ему до сих пор не могут найти альтернативу, за что приходится расплачиваться повышенной массой и размерами в целом БП.

    Безтранформаторные источники питания

    Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли вообще обойтись без трансформатора? Здесь ответ неоднозначный. И можно и нельзя. Более того, существуют безтрансформаторные источники питания. Для снижения напряжения применяют конденсатор. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство благополучно используется. Однако реактивное сопротивление конденсатора зависит обратно пропорционально от его емкости. Поэтому с увеличением нагрузки необходимо применять конденсатор большей емкости, что очень сказывается на его размерах. Кроме того возрастает его цена, поскольку он должен быть рассчитан на 400…450 В. Помимо всего прочего, использование реактивного сопротивления негативно влияет на качестве электроэнергии питающей сети. Снижается коэффициент мощности cosφ. Но самый главный недостаток заключается в отсутствии гальванической развязки. Это исключает применение подобных схем в преимущественном большинстве радиоэлектронной аппаратуре.

    Как снизить массу и габариты трансформатора

    Так вот, мощность любого узла ИБП определяется всего двумя параметрами: напряжением и током.

    P = U∙I.

    Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением тока на напряжение. Поэтому давайте рассмотрим, как зависят габариты Т от величины приложенного U и протекающего I. Возможно, здесь у нас получится на что-то повлиять.

    Напряжение или, точнее говоря, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, количеством витков w и магнитным потоком Φ.

    E = 4,44∙f∙w∙Φ

    Коэффициент 4,44 уберем для упрочения, поскольку он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных блоках питания, где форма сигнала имеет вид прямоугольника, это коэффициент имеет другое значение.

    Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

    Давайте поразмыслим над этой формулой с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмотками. Упрощенно говоря, мы можем вполне обосновано сказать, что габариты сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А габариты обмотки зависят от числа витков w.

    Теперь становится очевидно, что для сохранения прежней величины электродвижущей силы E при снижении числа витков w и площади поперечного сечения Sс, а соответственно и габаритов трансформатора, необходимо повышать или частоту или индукцию или эти два параметра одновременно.

    Преимущественное большинство сердечников промышленных трансформаторов выполняются из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Выше только у чистого железа, обладающего максимально возможной индукцией из всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Тл. К сожалению, чистое железо не пригодно к использованию в электромагнитных устройствах вследствие сильных потерь энергии при перемагничивании.

    Альтернативные магнитные материалы

    Также в ряде стран применяется пермаллой. Пермаллой имеет несколько меньшую индукцию, чем электротехническая стать, но обладает большим электрическим сопротивлением. Благодаря чему снижаются потери на вихревые токи, а соответственно и потери холостого хода.

    Относительно недавно на рынке в доступной цене появились аморфные и нанокристаллические сплавы. Они обладают высоким электрическим сопротивлением, при этом индукция их приближается к электротехническим сплавам. Кроме того они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но на этом мы здесь останавливаться не будем.

    Однако индукция известных на сегодняшний день магнитных материалов и сплавов не достигает величины, значительно превосходящей индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Поэтому сейчас невозможно существенно снизить габариты электромагнитного устройства за счет применения новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое снижение массы и размеров – это повышение частоты f переменного тока.

    Как работает импульсный блок питания электронных устройств

    Мы знаем, что в сети 220 В или 230 В f равна 50 Гц, отсюда возникает вопрос: как ее повысить? А делается это следующим образом. Сначала переменное напряжение 220 В, 50 Гц выпрямляется с помощью обычного диодного моста. Затем оно сглаживается электролитическим конденсатором большей емкости. Далее сглаженное напряжение снова преобразуется в переменное, но уже значительно большей частоты. В современных импульсных блоках питания она составляет порядка единиц мегагерц. И уже это высокочастотное напряжение подается на обмотку трансформатора. Это позволяет значительно снизить его размеры при сохранении прежнего значения электродвижущей силы. Затем сниженное напряжение со вторичной обмотки снова выпрямляется, сглаживается, и стабилизируется.

    Постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью инвертора. Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Поэтому на входе первого выпрямителя обязательно устанавливают дроссель для снижения уровня пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для борьбы и электромагнитными импульсами, ИБП полностью экранируют.

    Именно по причине этих пульсаций ИБП не применяются в аудиотехнике. В первую очередь это относиться к усилителям звука. Они вместе с полезным аудиосигналом могут усилить и помехи или пульсации, создаваемые полупроводниковыми приборами, работающими в ключевом режиме. В конечном итоге это негативно отобразится на качестве звука.

    Сечение провода тр-ра по-прежнему рассчитывается на аналогичный ток. Однако в качестве магнитопровода электротехническая сталь не применяется, поскольку на высоких частотах возникают сильных потери энергии, вызванные действием вихревых токов. Поэтому применяют магнитные материалы с максимально высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различного рода магнитодиэлектрики.

    ШИМ-контроллер

    Работой полупроводниковых приборов инвертора управляет ШИМ-контроллер. ШИМ-контроллер может выполняться в виде отдельной микросхемы или в едином корпусе с полупроводниковыми ключами. Для поддержания заданного уровня напряжения на нагрузке в не зависимости от изменения ее параметров и других воздействующих факторов, необходимо изменять параметры широтно-импульсной модуляции. За это отвечает ШИМ-контроллер, который получает сигнал по обратной связи. В качестве элемента, образующего обратную связь применяется оптопара. Может применяться и другой радиоэлектронный элемент, как правило, способный осуществить гальваническую развязку.

    Теперь должно быть понятно, как работает импульсный блок питания. Его схема состоит из входного фильтра, входного выпрямителя, сглаживающего входного фильтра, инвертора, импульсного трансформатора, выходного выпрямителя и выходного фильтра.

    В качестве входного фильтра применяется дроссель. Сглаживающими фильтрами служат электролитические конденсаторы большей емкости.

    Мощный импульсный блок питания?

    Значительно повысить f удается только в относительно маломощных ИБП с точки зрения силовой электроники. В преобразователях электрической энергии большой мощности – десятки, сотни и тысячи киловатт, сколь существенно увеличить частоту не получится. Это вызвано отсутствием транзисторов или тиристоров, способных быстро переключать большую нагрузку, сохраняя при этом приемлемый уровень потерь энергии. Максимум удается повысить f до тысячи герц, 400 Гц, а то и вовсе ниже. К тому же возникают трудности с охлаждением таких преобразовательных установок.

    Потери в полупроводниковых ключах зависят от приложенного к ним напряжения, протекающего I и частоты переключения. С ростом f потери энергии в полупроводниковых ключах сильно возрастают. Поэтому существенно снижается коэффициент полезного действия всей преобразовательной установки. Отсюда данный способ пока что не находит применения для мощных преобразователей и является малоэффективным.

    Но и здесь был найден выход. Все усилия были направлены в сторону уменьшения размеров и веса обмоток. В преобразователях она может достигать нескольких тонн. Если получится существенно уменьшить ее размеры, тогда можно домотать некоторое количество витков и за счет этого снизить габариты магнитопровода при сохранении прежнего значения электродвижущей силы.

    Масса меди обмоток mо зависит от суммарной длины одного витка lв, их числа w, площади поперечного сечения Sв и удельного веса меди γм.

    mо = lвwSвγм.

    Длина витка lв определяется его диаметром dв, поэтому можем переписать предыдущее выражение следующим образом:

    mо = πdвwSвγм.

    В свою очередь диаметр dв определяет индуктивность Т. Поэтому его мы уменьшить не можем, поскольку это в конечном итоге повлечет за собой уменьшение ЭДС, а это не допустимо.

    Также нельзя снизить удельный вес меди. Остается снижать площадь поперечно сечения витка.

    Она в свою очередь зависит от величины протекающего I и допустимой плотности тока j.

    Sв = Ij.

    Величину тока мы также снизить не можем, поскольку она определяет мощность трансформатора при заданном значении электродвижущей силы. Остается только один способ – увеличить допустимую плотность j.

    Сверхпроводники

    Эта величина для меди в среднем находится в пределах от 8 до 10 А/мм 2 . Для обмоток электрических машин она будет иметь меньшее, а для монтажных проводов или линий электропередач – большее значение.

    Величина j показывает, какой максимальный ток можно пропустить через заданное сечение проводника. Для простоты примем допустимое значение j = 10 А/мм 2 . Это значит, что через медный провод сечением 1 мм 2 можно пропустить I величиной 1 А. Если превысить эту величину, то он будет перегреваться, что недопустимо. Главная причина заключается в перегреве изоляции, которая для электрических машин обходится дороже стоимости самого провода. С ростом температуры эксплуатационный срок изоляции резко снижается. Отсюда преждевременная постановка на ремонт и затратная перемотка изоляции.

    Если проводник принудительно охлаждать, то через ту же Sв можно пропустить больший I. Именно таким способом удается существенно уменьшить сечение Sв. Применяют так называемые сверхпроводящие обмотки. Они находятся в специальной герметичной емкости, заполненной жидким азотом. Точка кипения азота чуть более -195 °С. Жидкий азот хорош тем, что он не взрывоопасен и не ядовит.

    Благодаря применению жидкого азота снижается сопротивление проводника. Это позволяет повысить j почти в 30 раз, не перегревая его. А соответственно снизить площадь поперечного сечения обмоточного провода, что в свою очередь приводит к снижению веса электромагнитного устройства.

    Подытожим сказанное выше. Для снижения массы и габаритов ИБП малой и средней мощности повышают частоту подводимого напряжения к обмоткам трансформатора за счет специальных схемных решений. В силовых преобразователях такой способ пока что трудно реализуем по причине отсутствия полупроводниковых ключей с приемлемыми коммутационными характеристиками. Единственный рациональный способ заключается в использовании сверхпроводящих обмоток.

    Теперь, я надеюсь, Вам стало понятно, как работает импульсный блок питания и почему он имеет такую структуру.

    Импульсные блоки питания схемы электрические принципиальные

    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.

    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.

    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.

    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.

    Преимущества интеллектуального выпрямителя

    Полумостовые преобразователи

    Чтобы просмотреть PDF-версию этой статьи, щелкните здесь.

    Полумостовой преобразователь существует уже несколько лет, но в наши дни он пользуется возобновленным интересом в связи с разработкой преобразователей постоянного тока в восьмой и шестнадцатый блоки. В прошлом топология полумоста рассматривалась для половинных и четвертных блоков, особенно при относительно низких уровнях мощности. Поскольку увеличение удельной мощности в этих полумостовых блоках приводит к более высоким уровням мощности (, таблица 1, ), становится все труднее и труднее реализовать топологию полумоста в этих преобразователях (, таблица 2, ).

    Однако появление восьмого и шестнадцатого блоков привело к новому спросу на полумостовой преобразователь, так как уровни мощности в этих корпусах больше соответствуют тем, при которых топология полумоста превосходит другие. В результате полумостовой преобразователь становится предпочтительной топологией для восьмого и шестнадцатого блоков.

    Наряду с уменьшением физического размера и увеличением удельной мощности к преобразователям постоянного тока добавляется все больше функций, которые требуются на системном уровне.Эти функции включают в себя запуск с предварительным смещением, отслеживание, управляемый запуск и контролируемое завершение работы.

    Формат полумоста также имеет неотъемлемые трудности с точки зрения приложений, которые необходимо решить для удовлетворения требований к эффективности и плотности мощности для этих преобразователей. Например, при управлении синхронными полевыми МОП-транзисторами в полумостовых преобразователях возникают проблемы, связанные с трудностью получения правильных управляющих сигналов во время задержки, а также с предсказанием того, когда первичные полевые МОП-транзисторы включаются и выключаются.

    Полумостовой преобразователь постоянного тока в постоянный

    Конфигурация полумостового преобразователя постоянного тока состоит из двух больших одинаковых конденсаторов, подключенных последовательно через вход постоянного тока, обеспечивающих постоянный потенциал в половину В IN на их стыке ( Рис. 1 ). [1] Переключатели MOSFET SW1 и SW2 включаются поочередно и подвергаются воздействию напряжения, равного входному напряжению, а не двойному входному напряжению, которое обычно имеет место в двухтактных и прямых преобразователях.

    Кроме того, из-за того, что конденсаторы обеспечивают точку среднего напряжения, трансформатор видит положительное и отрицательное напряжение во время переключения. Это приводит к удвоению желаемого пикового значения магнитного потока сердечника, поскольку сердечник трансформатора работает в первом и третьем квадранте контура B-H и испытывает вдвое больший разброс потока по сравнению с аналогичным сердечником прямого преобразователя.

    Это преимущество полумостовой топологии перед двусторонней прямой топологией в том, что первичная обмотка полумостового трансформатора имеет половину витков для того же входного напряжения и мощности.Это связано с тем, что трансформатор прямого преобразователя должен выдерживать полное напряжение питания по сравнению с половиной этого напряжения для полумостового трансформатора.

    Еще одним преимуществом полумостовых преобразователей является более низкая стоимость обмотки и потери на эффекте близости. Потери из-за эффекта близости возникают, когда вихревые токи индуцируются в одном слое обмотки токами в соседних слоях. Эти потери значительно увеличиваются с увеличением количества слоев. Поскольку полумостовой преобразователь имеет меньше витков, чем прямая топология, он, вероятно, будет иметь меньше слоев и, следовательно, более низкие потери на эффекте близости.

    Еще одно существенное преимущество полумоста перед двусторонним преобразователем прямого канала состоит в том, что вторичная обмотка полумоста выдает двухполупериодный выходной сигнал, а не полуволновой. Таким образом, частота прямоугольной волны в полумостовом преобразователе вдвое больше, чем в прямом преобразователе, и соответствующие выходные индуктор и конденсатор могут быть меньше.

    В полумостовых преобразователях синхронные МОП-транзисторы обычно включены и выключаются только при включении одного из первичных МОП-транзисторов.Тем не менее, нет никакого собственного способа предоставить разработчикам управляющие сигналы для управления вторичными синхронными полевыми МОП-транзисторами во время задержки. Нет доступной информации, которая предсказывала бы, когда первичные полевые МОП-транзисторы вот-вот включатся и позволят выключить вторичные полевые МОП-транзисторы, тем самым гарантируя, что ни один из них не включен одновременно, чтобы предотвратить прострел. И, поскольку полевые МОП-транзисторы вторичной стороны обычно включены, прикладные схемы должны иметь возможность обрабатывать запуск и выключение. При неправильном управлении во время запуска и выключения природа синхронных полевых МОП-транзисторов, которые по своей природе включены, может вызвать нежелательные условия, такие как звон, отрицательные уровни напряжения и помехи на выходе.

    Prebias определяется как напряжение, которое присутствует на выходе преобразователя до его включения. Это предубеждение может иметь место по нескольким причинам. Преобразователь может быть заменен на «горячую» замену или может существовать прямой путь между этим выходом и другим выходом. Преобразователь может использоваться в системе резервного питания (N + 1), в параллельной системе или в системе резервного питания от батарей, чтобы упомянуть несколько, где выходные напряжения уже присутствуют.

    Проблема с предварительным смещением заключается в том, что, если какой-либо преобразователь имеет синхронное выпрямление, можно будет разрядить выход во время запуска.То есть синхронные полевые МОП-транзисторы могут быть включены во время запуска до того, как преобразователь начнет подавать питание, тем самым обеспечивая путь разряда на землю через выходную катушку индуктивности. Это приводит к протеканию отрицательного тока в выходной катушке индуктивности, проблемам с колебаниями и выбросам отрицательного напряжения на выходе. Необходимо, чтобы выходное напряжение заряжалось до требуемого регулируемого напряжения и не подвергалось разрядке на выходе, если перед запуском существует предварительное смещение.

    Плавный пуск — это функция для предотвращения напряжения компонентов во время запуска преобразователя.Кроме того, он ограничивает пусковой ток при запуске и позволяет запускать монотонное напряжение. Обычно это применяется к контроллеру первичной стороны преобразователя и по сути имеет дело с полевыми МОП-транзисторами вторичной стороны. Однако в этой статье рассматривается, как полевые МОП-транзисторы на вторичной стороне могут также получить выгоду от механизма плавного пуска в полумостовых преобразователях.

    Плавный останов — это функция, которая предотвращает нарушения на выходе и позволяет монотонное отключение выхода напряжения. Как и в случае с плавным пуском, это важная особенность полумостовых преобразователей, поскольку оставление полевых МОП-транзисторов вторичной стороны для неопределенного отключения может вызвать переходные процессы отрицательного напряжения и неконтролируемую разрядку выходного напряжения.

    Драйверы MOSFET вторичной стороны

    Достижение требований к предварительному смещению, защите от перенапряжения (OVP), плавному пуску и плавному останову полевых МОП-транзисторов вторичной стороны обычно требует отдельной прикладной схемы для каждой функции. Однако Vishay Siliconix представила один чип, который можно настроить для решения всех проблем, описанных ранее, а также включить усилитель ошибки и прецизионный источник опорного напряжения, необходимые на вторичной стороне топологии полумоста.Блок-схема этой интегральной схемы (ИС) показана на Рис. 2 .

    Сигналы, необходимые для управления синхронными полевыми МОП-транзисторами (Si7108DN), поступают от полумостового контроллера первичной стороны (Si9122). Использование контроллера первичной стороны позволяет сигналам возбуждения присутствовать даже во время задержки. Кроме того, поскольку первичный контроллер знает, когда будут включены первичные полевые МОП-транзисторы (Si7810DN), он может подавать сигнал на отключение вторичных полевых МОП-транзисторов до включения первичных.

    Напряжение V IN может быть получено любым из обычных методов, например с помощью дополнительной обмотки силового трансформатора или выходной катушки индуктивности. Однако, поскольку для передачи сигналов затвора вторичных полевых МОП-транзисторов через изолирующий барьер требуется импульсный трансформатор, можно сгенерировать вход V IN из этих сигналов затвора (, рис. 3, ).

    Во время запуска преобразователя и интеллектуального драйвера драйверы MOSFET сначала необходимо отключить, поскольку напряжение драйвера затвора может быть на неопределенном уровне, вызывая дополнительные потери и даже отказы в синхронных полевых МОП-транзисторах.Поэтому драйверы SiP11203 MOSFET отключаются до тех пор, пока V L не достигнет 90% от своего окончательного значения. Однако, если выходные драйверы оставались плавающими до тех пор, пока не были включены основные драйверы, высокая скорость dV / dT во время перехода тока от внутренних диодов второго SW1 и второго SW2 ( рис. 1 ) может привести к ложному срабатыванию. -на полевом МОП-транзисторе.

    Таким образом, до того, как будут активированы основные драйверы (V L Рис. 4), на каждом выходе есть устройство, которое подтягивает соответствующие выходы драйвера затвора к низкому уровню в соответствующее время.Как только V L установлен, малый инвертирующий драйвер отключается от тракта, и в результате схема драйвера будет эффективно удерживать выходные сигналы драйвера на низком уровне до тех пор, пока уровень напряжения V L не достигнет 90% от своего конечного значения. .

    Когда V L достигнет 90% от своего окончательного значения, внешний V REF также отключается и может повышаться в соответствии со значением конденсатора V REF ( Рис. 5 ). Скорость нарастания V L определяется внешним конденсатором V L , который приводится в действие током 20 мА от предварительного регулятора.Это позволяет разработчику управлять периодом включения SiP11203.

    Если полевые МОП-транзисторы на вторичной стороне отключены, может возникнуть ситуация, в которой токопроводящие диоды основного стока будут проводить ток, а не каналы полевого МОП-транзистора. При переключении канала MOSFET напряжение на устройстве будет значительно снижено, что приведет к помехам на выходе преобразователя. Следовательно, SiP11203 имеет функцию плавного пуска, которая включает синхронный МОП-транзистор в тракт питания в течение нескольких циклов.Метод плавного пуска, показанный на рис. 6 , предотвращает нарушения выходного напряжения. Период плавного пуска задается внешним резистором, установленным на R PD .

    Si9122 позволяет установить задержку отключения перед включением (BBM) с помощью одного резистора (BBM1 = BBM2 = BBM3 = BBM4). Однако этому не хватает гибкости, потому что через изолирующий барьер могут быть введены задержки затвора. Таким образом, SiP11203 включает функцию, которая вводит задержку нарастающего фронта после того, как устройство завершило плавный пуск.Для определения задержек BBM см. Лист данных Si9122.

    В SiP11203 предусмотрен отдельный вывод (вход OVP) для обнаружения условий перенапряжения, которые могут возникать в соответствии с двумя отдельными режимами. Первый — это перенапряжение при запуске устройства. Второй — это перенапряжение при нормальной работе. При запуске состояние перенапряжения определяется как вход OVP, на 20% превышающий конечное значение V REF , которое составляет примерно 1,4 В.

    Если во время запуска происходит событие перенапряжения, выходы драйвера блокируются до тех пор, пока внешний V REF не достигнет 1.1 В, что составляет 90% от его конечного значения 1,225 В. Когда V REF достигает 1,1 В, выходные драйверы освобождаются для ответа на входные импульсы. Однако, если уставка перенапряжения (V REF + 20%) достигается во время нормальных рабочих условий или после того, как V REF достигает 90% от своего конечного значения, компаратор OVP фиксируется, и выходные драйверы вынуждены при условии. После этого внешний V REF разряжается до 20% от своего нормального значения. Выходные драйверы будут оставаться включенными для SiP11203 (и выключенными для SiP11204) до тех пор, пока V REF не разрядится до 245 мВ и напряжение на входном контакте OVP не станет ниже 1.1 В. После устранения неисправности выходные драйверы освобождаются, и устройство переходит в состояние плавного пуска.

    Для предотвращения того, чтобы синхронные полевые МОП-транзисторы оставались включенными, когда входные импульсы с входа A и входа B прекращаются, SiP11203 имеет функцию, которая разряжает затворы синхронных полевых МОП-транзисторов до того, как исчезнет подача смещения на ИС. Входы контролируются, и, когда нет активности на INA и INB по прошествии определенного времени, основные драйверы отключаются, а выходы драйверов разряжаются при отключении питания ( Рис.7 ).

    Понижающий ток будет фиксированным соотношением тока, установленного внешним резистором, так что время разряда может составлять фиксированное количество импульсов при нормальной рабочей частоте. Без этой функции никакая активность на входах INA и INB — из-за отключения первичной стороны — не приведет к тому, что синхронные полевые МОП-транзисторы останутся включенными. Если позволить полевым МОП-транзисторам оставаться включенными после выключения первичного контроллера, это может привести к разрядке выходного сигнала, а при окончательном отключении синхронных полевых МОП-транзисторов могут возникнуть отрицательные выбросы.

    Поскольку SiP11203 имеет отдельный вывод перенапряжения, можно настроить устройство так, чтобы драйверы MOSFET не включались в условиях предварительного смещения (V OUT > 1,4 В) при запуске. Во время запуска сигнал OVP IN может быть подключен непосредственно к выходу, что позволяет SiP11203 обнаруживать напряжение предварительного смещения выше 1,4 В как состояние перенапряжения, отключая драйверы MOSFET и предотвращая любую разрядку выхода. После того, как V REF на SiP11203 будет установлен, OVP IN необходимо будет подключить к выходу через внешний резистивный делитель, чтобы обеспечить защиту от перенапряжения в нормальном режиме работы.

    Список литературы

    1. Браун, Джесс; Дэвис, Ричард; Уильямс, Дилвин; и Бернакки, Джерри. «Высокоэффективные полумостовые преобразователи постоянного тока в постоянный с вторичным синхронным выпрямлением», PCIM 2001, Нюрнберг, Германия.

    2. Технический паспорт Si9122, www.vishay.com/docs/71815/71815.pdf.

    Таблица 1. Типичные значения уровней мощности для кирпичей разного размера.
    Размер кирпича Уровень мощности (Вт)
    Полный
    Половина
    9016 9016 901 9016 902 902 9016
    до 250
    Таблица 2.Типовые значения уровней мощности для различных топологий.
    Топология Общие характеристики
    Уровень мощности (Вт) Максимальный рабочий цикл
    Обратный ход 5 до 50 назад
    Активный сброс зажима в прямом направлении от 10 до 250
    Push-Pull 15 до 150
    Полумост 9015 от 50 до 200 Full-Bridge 200–2000

    Импульсный источник питания: преимущества использования и принцип работы | Статья

    .

    СТАТЬЯ ОБРАЗОВАНИЯ


    Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылается один раз в месяц

    Мы ценим вашу конфиденциальность

    Что такое блок питания?

    Источник питания — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток, поступающий от источника питания, в значение напряжения, необходимое для питания нагрузки, такой как двигатель или электронное устройство.

    Существует два основных исполнения источников питания: линейный источник питания и импульсный источник питания.

    • Линейный: В линейных источниках питания используется трансформатор для понижения входного напряжения. Затем напряжение выпрямляется и превращается в напряжение постоянного тока, которое затем фильтруется для улучшения качества формы сигнала. В линейных источниках питания используются линейные регуляторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают лишнюю энергию в виде тепла.
    • Коммутация: Импульсный источник питания — это новая методология, разработанная для решения многих проблем, связанных с конструкцией линейного источника питания, включая размер трансформатора и регулировку напряжения. В схемах импульсных источников питания входное напряжение больше не снижается; вместо этого он исправляется и фильтруется на входе. Затем напряжение проходит через прерыватель, который преобразует его в серию высокочастотных импульсов. Прежде чем напряжение достигнет выхода, оно снова фильтруется и выпрямляется.

    Как работает импульсный источник питания?

    На протяжении многих лет линейные источники питания переменного / постоянного тока преобразуют мощность переменного тока из электросети в напряжение постоянного тока для работы бытовой техники или освещения. Потребность в источниках меньшего размера для мощных приложений означает, что линейные источники питания стали использоваться в конкретных промышленных и медицинских целях, где они все еще необходимы из-за их низкого уровня шума. Но на смену пришли импульсные источники питания, потому что они меньше, эффективнее и способны выдерживать большую мощность. На рисунке 1 показано общее преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) в импульсном источнике питания.

    Рисунок 1: Изолированный импульсный источник питания переменного / постоянного тока

    Выпрямление входа

    Выпрямление — это процесс преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямление входного сигнала — это первый шаг в импульсных источниках питания переменного / постоянного тока.

    Принято считать, что постоянное напряжение — это прямая, непоколебимая линия постоянного напряжения, наподобие того, что выходит из батареи.Однако то, что определяет постоянный ток (DC), — это однонаправленный поток электрического заряда. Это означает, что напряжение течет в одном направлении, но не обязательно постоянно.

    Синусоидальная волна представляет собой наиболее типичную форму волны переменного тока, которая является положительной для первого полупериода, но отрицательной для остальной части цикла. Если отрицательный полупериод реверсируется или устраняется, то ток перестает меняться и становится постоянным. Этого можно добиться с помощью процесса, называемого исправлением.

    Выпрямление может быть достигнуто с помощью пассивного полумостового выпрямителя для устранения отрицательной половины синусоидальной волны с помощью диода (см. Рисунок 2) . Диод позволяет току течь через него во время положительной половины волны, но блокирует ток, когда он течет в противоположном направлении.

    Рисунок 2: Полумостовой выпрямитель

    После выпрямления результирующая синусоида будет иметь низкую среднюю мощность и не сможет эффективно обеспечивать питание устройств.Гораздо более эффективным методом было бы изменить полярность отрицательной полуволны и сделать ее положительной. Этот метод называется двухполупериодным выпрямлением, и для него требуется только четыре диода в конфигурации моста (см. Рисунок 3) . Такая конструкция поддерживает стабильное направление тока независимо от полярности входного напряжения.

    Рисунок 3: Мостовой выпрямитель

    Полностью выпрямленная волна имеет более высокое среднее выходное напряжение, чем напряжение, создаваемое полумостовым выпрямителем, но это все еще очень далеко от постоянной формы волны постоянного тока, необходимой для питания электронных устройств.Хотя это волна постоянного тока, ее использование для питания устройства было бы неэффективным из-за формы волны напряжения, которая очень быстро и очень часто меняет значение. Это периодическое изменение напряжения постоянного тока называется пульсацией — уменьшение или устранение пульсаций имеет решающее значение для эффективного источника питания.

    Самый простой и наиболее часто используемый метод уменьшения пульсаций — это использование большого конденсатора на выходе выпрямителя, называемого накопительным конденсатором или сглаживающим фильтром (см. Рисунок 4) .

    Конденсатор накапливает напряжение во время пика волны, а затем снабжает нагрузку током до тех пор, пока его напряжение не станет меньше, чем сейчас нарастающая волна выпрямленного напряжения. Результирующая форма волны намного ближе к желаемой форме и может считаться постоянным напряжением без составляющей переменного тока. Этот окончательный сигнал напряжения теперь можно использовать для питания устройств постоянного тока.

    Рисунок 4: Полномостовой выпрямитель со сглаживающим фильтром

    Пассивное выпрямление использует полупроводниковые диоды в качестве неуправляемых переключателей и является самым простым методом выпрямления волны переменного тока, но не самым эффективным.

    Диоды — относительно эффективные переключатели; они могут быстро включаться и выключаться с минимальными потерями энергии. Единственная проблема с полупроводниковыми диодами заключается в том, что они имеют падение напряжения прямого смещения от 0,5 В до 1 В, что снижает эффективность.

    Активное выпрямление заменяет диоды управляемыми переключателями, такими как полевые МОП-транзисторы или биполярные транзисторы (см. Рисунок 5) . У этого есть два преимущества: во-первых, выпрямители на основе транзисторов устраняют фиксированное падение напряжения от 0,5 В до 1 В, связанное с полупроводниковыми диодами, поскольку их сопротивление может быть произвольно малым и, следовательно, иметь небольшое падение напряжения.Во-вторых, транзисторы представляют собой управляемые переключатели, что означает, что частоту переключения можно контролировать и, следовательно, оптимизировать.

    Обратной стороной является то, что активные выпрямители требуют более сложных схем управления для достижения своей цели, что требует дополнительных компонентов и, следовательно, делает их более дорогими.

    Рисунок 5: Активный выпрямитель с полным мостом

    Коррекция коэффициента мощности (PFC)

    Второй этап в разработке импульсного источника питания — это коррекция коэффициента мощности (PFC).

    Цепи

    PFC имеют мало общего с фактическим преобразованием мощности переменного тока в мощность постоянного тока, но являются важным компонентом большинства коммерческих источников питания.

    Рисунок 6: Осциллограммы напряжения и тока на выходе выпрямителя

    Если вы посмотрите форму волны тока накопительного конденсатора выпрямителя (см. Рисунок 6) , вы увидите, что зарядный ток течет через конденсатор в течение очень короткого промежутка времени, а именно с точки, где напряжение на входе конденсатор больше, чем заряд конденсатора до пика выпрямленного сигнала.Это вызывает серию коротких всплесков тока в конденсаторе, что создает значительную проблему не только для источника питания, но и для всей электросети из-за большого количества гармоник, которые эти всплески тока вводят в сеть. Гармоники могут создавать искажения, которые могут повлиять на другие источники питания и устройства, подключенные к сети.

    В схеме импульсного источника питания цель схемы коррекции коэффициента мощности — минимизировать эти гармоники путем их фильтрации.Для этого есть два варианта: активная и пассивная коррекция коэффициента мощности.

    • Пассивные схемы коррекции коэффициента мощности состоят из пассивных фильтров нижних частот, которые пытаются устранить высокочастотные гармоники. Однако источники питания, особенно в приложениях с большой мощностью, не могут соответствовать международным нормам по гармоническому шуму с использованием только пассивной коррекции коэффициента мощности. Вместо этого они должны применять коррекцию активной мощности.
    • Активная коррекция коэффициента мощности изменяет форму кривой тока и заставляет ее следовать за напряжением.Гармоники перемещаются на гораздо более высокие частоты, что упрощает их фильтрацию. Наиболее широко используемой схемой для этих случаев является повышающий преобразователь, также называемый повышающим преобразователем.

    Изоляция: изолированные и неизолированные импульсные источники питания

    Независимо от того, присутствует ли схема коррекции коэффициента мощности или нет, последний этап преобразования мощности — это понижение выпрямленного постоянного напряжения до нужной величины для предполагаемого применения.

    Поскольку форма входного переменного тока выпрямлена на входе, выходное напряжение постоянного тока будет высоким: если нет коррекции коэффициента мощности, выходное напряжение постоянного тока выпрямителя будет около 320 В.Если есть активная схема коррекции коэффициента мощности, на выходе повышающего преобразователя будет постоянное постоянное напряжение 400 В или более.

    Оба сценария чрезвычайно опасны и бесполезны для большинства приложений, которые обычно требуют значительно более низких напряжений. В таблице 1 показаны некоторые аспекты преобразователя и приложения, которые следует учитывать при выборе правильной топологии изоляции.

    Изолированные источники питания переменного / постоянного тока Неизолированные источники питания переменного / постоянного тока
    Топология Обратный преобразователь Понижающий преобразователь
    Безопасность Гальваническая развязка обеспечивает повышенную безопасность пользователя Возможные утечки тока могут причинить значительный вред пользователям или нагрузкам
    Размер и эффективность Трансформаторы увеличивают размер и вес Требуется только один индуктор, схема гораздо меньшего размера
    КПД Потери в трансформаторной стали и меди влияют на КПД Одна катушка индуктивности намного эффективнее, чем целый трансформатор
    Сложность Схема управления необходима как для

    Таблица 1: Изолированные vs.Неизолированные источники питания переменного / постоянного тока

    При выборе метода понижения главное внимание уделяется безопасности.

    Источник питания подключается к сети переменного тока на входе, что означает, что в случае утечки тока на выходе электрический ток такой степени может серьезно повредить или вызвать смерть, а также повредить любое устройство, подключенное к выходу.

    Безопасность может быть достигнута за счет магнитной изоляции входных и выходных цепей источника питания переменного / постоянного тока, подключенного к сети.Наиболее широко используемые цепи в изолированных источниках питания переменного / постоянного тока — это обратноходовые преобразователи и резонансные LLC-преобразователи, поскольку они включают гальваническую или магнитную изоляцию (см. Рисунок 7) .

    Рисунок 7: Обратный преобразователь (слева) и LLC-резонансный преобразователь (справа)

    Использование трансформатора означает, что сигнал не может быть постоянным напряжением. Вместо этого должно быть изменение напряжения и, следовательно, изменяющийся ток, чтобы передавать энергию от одной стороны трансформатора к другой через индуктивную связь.Следовательно, как обратный преобразователь, так и LLC-преобразователи «прерывают» входное постоянное напряжение в виде прямоугольной волны, которая может быть понижена с помощью трансформатора. Затем выходная волна должна быть снова выпрямлена перед выходом.

    Обратные преобразователи в основном используются для приложений с низким энергопотреблением. Обратный преобразователь представляет собой изолированный повышающий-понижающий преобразователь, что означает, что выходное напряжение может быть как выше, так и ниже входного напряжения, в зависимости от соотношения витков трансформатора между первичной и вторичной обмотками.

    Обратный преобразователь работает аналогично повышающему преобразователю.

    Когда переключатель замкнут, первичная катушка заряжается входом, создавая магнитное поле. Когда переключатель разомкнут, заряд в первичной катушке индуктивности передается на вторичную обмотку, которая вводит ток в цепь, питающую нагрузку.

    Обратно-обратные преобразователи

    относительно просты в проектировании и требуют меньшего количества компонентов, чем другие преобразователи, но не очень эффективны из-за значительных потерь из-за жесткого переключения из-за принудительного включения и выключения транзистора произвольно (см. Рисунок 8).Это очень вредно для жизненного цикла транзистора и приводит к значительным потерям мощности, особенно в приложениях с высокой мощностью, поэтому обратноходовые преобразователи лучше подходят для приложений с низким энергопотреблением, обычно до 100 Вт.

    Резонансные LLC-преобразователи чаще используются в приложениях с высокой мощностью. Эти цепи также имеют магнитную изоляцию через трансформатор. Преобразователи LLC основаны на явлении резонанса, которое представляет собой усиление определенной частоты, когда она совпадает с собственной частотой фильтра.В этом случае резонансная частота LLC-преобразователя определяется последовательно включенными катушкой индуктивности и конденсатором (LC-фильтр) с дополнительным эффектом первичной катушки индуктивности трансформатора (L), отсюда и название LLC-преобразователь.

    Резонансные преобразователи

    LLC предпочтительны для приложений большой мощности, поскольку они могут производить переключение при нулевом токе, также известное как мягкое переключение (см. Рисунок 8) . Этот метод переключения включает и выключает переключатель, когда ток в цепи приближается к нулю, сводя к минимуму потери переключения транзистора, что, в свою очередь, снижает электромагнитные помехи и повышает эффективность.К сожалению, за это улучшение рабочих характеристик приходится платить: сложно спроектировать LLC-резонансный преобразователь, который может обеспечить плавное переключение для широкого диапазона нагрузок. С этой целью MPS разработала специальный инструмент для проектирования LLC, который помогает убедиться, что преобразователь работает точно в правильном резонансном состоянии для оптимальной эффективности переключения.

    Рисунок 8: Жесткое переключение (слева) в сравнении с потерями при мягком переключении (справа)

    Ранее в этой статье мы обсуждали, почему одним из ограничений источников питания переменного / постоянного тока являются размер и вес входного трансформатора, который из-за низкой рабочей частоты (50 Гц) требует больших катушек индуктивности и магнитных сердечников, чтобы избежать насыщения. .

    В импульсных источниках питания частота колебаний напряжения значительно выше (как минимум выше 20 кГц). Это означает, что понижающий трансформатор может быть меньше, потому что высокочастотные сигналы генерируют меньше магнитных потерь в линейных трансформаторах. Уменьшение размеров входных трансформаторов позволяет миниатюризировать систему до такой степени, что весь блок питания помещается в корпус размером с зарядные устройства для мобильных телефонов, которые мы используем сегодня.

    Существуют устройства постоянного тока, которым не требуется изоляция трансформатора.Это обычно наблюдается в устройствах, к которым не нужно напрямую прикасаться пользователю, таких как освещение, датчики, IoT и т. Д., Потому что любые манипуляции с параметрами устройства выполняются с отдельного устройства, такого как мобильный телефон, планшет или компьютер.

    Это дает большие преимущества с точки зрения веса, размера и производительности. Эти преобразователи снижают уровни выходного напряжения с помощью понижающего преобразователя высокого напряжения, также называемого понижающим преобразователем. Эту схему можно описать как инверсию повышающего преобразователя, описанного ранее.В этом случае, когда транзисторный ключ закрыт, ток, протекающий через катушку индуктивности, создает напряжение на катушке индуктивности, которое противодействует напряжению от источника питания, уменьшая напряжение на выходе. Когда переключатель размыкается, катушка индуктивности выпускает ток, который течет через нагрузку, поддерживая значение напряжения на нагрузке, в то время как цепь отключена от источника питания.

    В импульсных источниках питания переменного / постоянного тока используется высоковольтный понижающий преобразователь, поскольку полевой МОП-транзистор, который действует как переключатель, должен выдерживать большие изменения напряжения (см. Рисунок 9) .Когда переключатель замкнут, напряжение на полевом МОП-транзисторе близко к 0 В; но когда он открывается, это напряжение возрастает до 400 В для однофазных приложений или до 800 В для трехфазных преобразователей. Эти большие резкие изменения напряжения могут легко повредить нормальный транзистор, поэтому используются специальные высоковольтные полевые МОП-транзисторы.

    Рисунок 9: Неизолированный импульсный источник питания переменного / постоянного тока с активным PFC

    Понижающие преобразователи

    гораздо проще интегрировать, чем трансформаторы, поскольку требуется только один индуктор.Они также намного более эффективны при понижении напряжения с нормальным КПД выше 95%. Такой уровень эффективности возможен, потому что транзисторы и диоды почти не имеют потерь мощности при переключении, поэтому единственные потери происходят от катушки индуктивности.

    Одним из примеров неизолированного выходного стабилизатора переменного / постоянного тока является семейство MPS MP17xA. Это семейство может управлять множеством различных топологий преобразователей, таких как понижающий, повышающий, понижающий-повышающий или обратноходовой. Его можно использовать для напряжений до 700 В, то есть он предназначен для однофазных источников питания.У него также есть опция зеленого режима, в котором частота переключения и пиковый ток уменьшаются пропорционально нагрузке, повышая общую эффективность источника питания. На рисунке 10 показана типичная прикладная схема MP173A, в которой он регулирует понижающий преобразователь, состоящий из катушки индуктивности (L1), диода (D1) и конденсатора (C4). Резисторы (R1 и R2) образуют делитель напряжения, который обеспечивает напряжение обратной связи (вывод FB), замыкая контур управления.

    Рисунок 10: Типовая прикладная схема MP173A

    Импульсные блоки питания переменного / постоянного тока

    предлагают повышенную производительность при небольшом размере, что и сделало их такими популярными.Обратной стороной является то, что их схемы значительно сложнее, и они требуют более точных схем управления и фильтров шумоподавления. Несмотря на дополнительную сложность, MPS предлагает простые и эффективные решения, облегчающие разработку вашего источника питания переменного / постоянного тока.

    Сводка

    Импульсные блоки питания

    AC / DC в настоящее время являются наиболее эффективным способом преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Преобразование мощности происходит в три этапа:

    1. Входное выпрямление: в этом процессе напряжение сети переменного тока преобразуется в выпрямленную волну постоянного тока с помощью диодного моста.На выходе моста добавлен конденсатор для уменьшения напряжения пульсаций.
    2. Коррекция коэффициента мощности (PFC): из-за нелинейного тока в выпрямителе гармоническая составляющая тока довольно велика. Есть два способа решить эту проблему. Первый — это пассивная коррекция коэффициента мощности, использующая фильтр для ослабления влияния гармоник, но он не очень эффективен. Второй вариант, называемый активным PFC, использует импульсный повышающий преобразователь, чтобы форма волны тока соответствовала форме входного напряжения.Активная коррекция коэффициента мощности — единственный метод проектирования преобразователя мощности, отвечающий современным стандартам размера и эффективности.
    3. Изоляция: Импульсные источники питания могут быть изолированными или неизолированными. Устройство изолируется, когда вход и выход источника питания физически не соединены. Изоляция осуществляется с помощью трансформаторов, которые гальванически изолируют две половины цепи. Однако трансформаторы могут передавать электроэнергию только при изменении тока, поэтому выпрямленное постоянное напряжение преобразуется в высокочастотную прямоугольную волну, которая затем передается во вторичную цепь, где снова выпрямляется и, наконец, передается на выход.

    При проектировании импульсного источника питания необходимо учитывать множество различных аспектов, особенно связанных с безопасностью, производительностью, размером, весом и т. Д. Цепи управления для импульсных источников питания также более сложны, чем в линейных источниках питания, поэтому многие Разработчики считают полезным использовать интегрированные модули в своих источниках питания.

    MPS предлагает широкий спектр модулей, которые могут упростить проектирование импульсных источников питания, таких как преобразователи мощности, контроллеры, выпрямители и т. Д.

    _________________________

    Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

    Топологии импульсных источников питания

    по сравнению с

    Buck

    Buck преобразователи — одна из самых простых, дешевых и распространенных топологий. Хотя эта топология не подходит для приложений, где требуется изоляция, она идеальна в качестве преобразователя постоянного тока в постоянный, используемого для понижения напряжения. Используя понижающий преобразователь, вы можете не только достичь высоких уровней эффективности, но и высоких уровней мощности, особенно в многофазных топологиях.Обратной стороной понижающих преобразователей является то, что входной ток всегда прерывистый, что приводит к более высоким электромагнитным помехам.

    Однако проблемы электромагнитных помех могут быть решены с помощью компонентов фильтра, таких как микросхемы, синфазные дроссели и дроссели фильтров.

    Понижающая топология требует только одного индуктора для однофазных приложений, а каталожные катушки индуктивности доступны для широкого спектра приложений. Кроме того, могут быть разработаны специальные катушки индуктивности для тех особых значений индуктивности в зависимости от тока, которые требуются, а также для приложений, требующих дополнительных обмоток для измерения или подачи питания на контроллер.

    Boost

    Топология Boost, как и топология понижающей передачи, не изолирует. В отличие от понижающей топологии, усиление увеличивает напряжение, а не понижает его. Поскольку повышающая топология потребляет ток непрерывно и равномерно при работе в режиме непрерывной проводимости, она является идеальным выбором для схем коррекции коэффициента мощности. Как и в случае с понижающей топологией, в каталоге есть множество вариантов катушек индуктивности, используемых в повышающих схемах, а там, где есть особая необходимость, также доступны индивидуальные индукторы.

    Buck-Boost

    Топология понижающего-повышающего напряжения может повышать или понижать напряжение. Эта топология особенно полезна в приложениях с батарейным питанием, где входное напряжение изменяется со временем, но имеет недостаток, заключающийся в инвертировании выходного напряжения. Другой недостаток топологии понижающего-повышающего напряжения заключается в том, что коммутатор не имеет заземления, что усложняет схему управления. При использовании только одной катушки индуктивности, такой как повышающая и понижающая топологии, легко доступны понижающая / повышающая индуктивность и компоненты EMI.

    SEPIC / uk

    В топологиях SEPIC и uk в дополнение к двум индукторам используются конденсаторы для хранения энергии. Два индуктора могут быть либо отдельными индукторами, либо единым компонентом в виде соединенного индуктора. Обе топологии похожи на топологию повышающего напряжения в том, что они могут повышать или понижать входное напряжение, что делает их идеальными для аккумуляторных приложений.

    SEPIC имеет дополнительное преимущество по сравнению с uk и понижающим повышением в том, что его выходной сигнал не инвертируется.Преимущество топологий SEPIC / Ćuk состоит в том, что конденсатор может обеспечивать некоторую ограниченную изоляцию. Каталожные индукторы доступны для топологий SEPIC и Ćuk, а индивидуальные индукторы доступны для особых нужд.

    Обратный ход

    Топология обратного хода — это, по сути, топология понижающего и повышающего напряжения, которая изолирована с помощью трансформатора в качестве индуктора накопителя. Трансформатор не только обеспечивает изоляцию, но и регулирует выходное напряжение, изменяя коэффициент трансформации.Поскольку используется трансформатор, возможны несколько выходов. Обратный ход — это простейшая и наиболее распространенная из изолированных топологий для приложений с низким энергопотреблением. Хотя они хорошо подходят для высоких выходных напряжений, пиковые токи очень высоки, а топология не подходит для выходного тока выше 10 А.

    Одним из преимуществ обратноходовой топологии перед другими изолированными топологиями является то, что многие из них требуют отдельного индуктора хранения. Поскольку трансформатор обратного хода в действительности является индуктором хранения, отдельная катушка индуктивности не требуется.Это, в сочетании с тем фактом, что остальная схема проста, делает обратную топологию рентабельной и популярной топологией.

    Прямой преобразователь

    Прямой преобразователь — это просто понижающий преобразователь с трансформаторной изоляцией. Подобно обратноходовой топологии, прямой преобразователь лучше всего подходит для приложений с низким энергопотреблением. Хотя эффективность сравнима с обратным ходом, у него есть недостаток, заключающийся в наличии дополнительной индуктивности на выходе, и он не очень хорошо подходит для высоковольтных выходов.Прямой преобразователь действительно имеет преимущество перед обратным преобразователем, когда требуются высокие выходные токи. Поскольку выходной ток не является пульсирующим, он хорошо подходит для приложений, где ток превышает 15 А.

    Push-Pull

    Двухтактная топология по сути представляет собой прямой преобразователь с двумя первичными обмотками, которые используются для создания обмотки с двойным приводом. При этом сердечник трансформатора используется гораздо эффективнее, чем обратный преобразователь или прямой преобразователь.

    С другой стороны, одновременно используется только половина меди, что значительно увеличивает потери в меди в трансформаторе аналогичного размера.Для аналогичных уровней мощности двухтактный преобразователь будет иметь меньшие фильтры по сравнению с прямым преобразователем.

    Однако преимущество двухтактных преобразователей перед обратным и прямым преобразователями состоит в том, что их можно масштабировать до более высоких мощностей. Управление переключением может быть затруднено с помощью двухтактных преобразователей, поскольку необходимо следить за тем, чтобы оба переключателя не включались одновременно. Это вызовет равный и противоположный поток в трансформаторе, что приведет к низкому сопротивлению и очень большому сквозному току через переключатель, потенциально разрушающему его.

    Другим недостатком двухтактной топологии является то, что напряжения переключателя очень высоки (2 ∙ VIN), что делает эту топологию нежелательной для приложений 250 В переменного тока и PFC.

    Полумост

    Топология полумоста, как и двухтактная топология, может хорошо масштабироваться до более высоких уровней мощности и основана на топологии прямого преобразователя. Эта топология также имеет ту же проблему, что и сквозной ток, если оба переключателя включены одновременно. Чтобы контролировать это, между включениями каждого переключателя должна быть пауза.Это ограничивает рабочий цикл примерно до 45%. Выгодно то, что коммутационные напряжения полумостовой топологии равны входному напряжению и делают его более подходящим для приложений 250 В переменного тока и PFC.

    С другой стороны, выходные токи намного выше, чем в двухтактной топологии, что делает ее менее подходящей для сильноточных выходов.

    Resonant LLC

    Резонансная топология LLC представляет собой топологию полумоста, в которой используется резонансная техника для уменьшения коммутационных потерь из-за переключения при нулевом напряжении даже в условиях холостого хода.Эта топология хорошо масштабируется до высоких уровней мощности и имеет очень низкие потери в устройствах, которые постоянно включены. Эта топология не так хорошо подходит для источников питания в режиме ожидания, так как резонансный контур резервуара должен постоянно находиться под напряжением.

    Резонансный LLC также имеет преимущество перед двухтактной и полумостовой топологиями, поскольку он подходит для широкого диапазона входных напряжений. Обратной стороной резонансной топологии LLC является ее сложность и стоимость.

    Питание изолированной стороны вашей конфигурации полумоста

    Питание затвора верхней стороны конфигурации полумоста может сначала показаться сложным из-за требований к сдвигу уровня и силе привода в большинстве систем.В этой статье дается обзор доступных решений, которые позволяют дизайнеру достичь этой цели.

    Введение

    Полумостовая топология широко используется в преобразователях мощности и моторных приводах. Это в значительной степени связано со способностью полумоста обеспечивать эффективное синхронное управление сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) по напряжению на шине. Однако между контроллером и силовыми устройствами часто требуются драйверы затворов, чтобы обеспечить более быстрое переключение и обеспечить изоляцию либо для безопасности, либо для функциональных целей.Для систем с напряжением на шине, которое превышает максимальную мощность переключения затвора на пределы напряжения источника, приводы затвора должны питаться напряжением, отличным от системной шины.

    В этой статье представлены различные варианты питания привода затвора, основные конструктивные ограничения и компромиссы, чтобы помочь разработчику выбрать, какую топологию использовать. К ним относятся изолированные управляющие трансформаторы затвора, а также силовые оптопары или цифровые изоляторы с изолированными драйверами затвора с питанием от постоянного к постоянному току, конфигурации начальной загрузки и изолированные драйверы затвора с внутренними источниками постоянного напряжения.

    Для систем с более высокой мощностью устройства переключения мощности составляют большую часть стоимости спецификации, а устройства типа N обычно имеют меньшее сопротивление, чем устройства типа P того же размера и стоимости. 1 . Кроме того, используя два идентичных переключателя в одной ветви полумостовой схемы, можно упростить проектирование с учетом таких требований к синхронизации, как отсутствие перекрытия и мертвое время. По этим причинам полумостовые конфигурации обычно состоят из двух устройств типа N, будь то NPN BJT, устройства NMOS или IGBT типа N.Для простоты в этой статье будут рассмотрены полумостовые конфигурации, в которых используются два устройства NMOS на каждую ногу, но те же принципы могут быть применены и к IGBT. Чтобы использовать устройства BJT, при проектировании следует учитывать постоянный базовый ток.

    Основные требования к приводу ворот

    Рассмотрим типичную конфигурацию полумоста, показанную на рисунке 1. Полевые МОП-транзисторы работают взаимоисключающим образом, потому что, если бы оба были проводящими одновременно, произошел бы сквозной проход.Для включения полевого МОП-транзистора V GS > V T , где V GS — напряжение затвор-исток, а V T — пороговое напряжение конкретного полевого МОП-транзистора. Рекомендуется иметь достаточный овердрайв для работающих полевых МОП-транзисторов, поэтому фактическое напряжение затвора в большинстве приложений составляет V GS >> V T . В течение части периода переключения, когда переключатель нижнего плеча Q 2 включен, а выключатель верхнего уровня Q 1 выключен. Это означает, что V G1S1 T и V G2S2 >> V T .Для многих систем напряжение 0 В V G1S1 достаточно, чтобы выключить переключатель высокого напряжения. В идеальном случае V OUT качается близко к системному заземлению.

    Рис. 1. Блок-схема полумоста.

    Игнорируя требования к мертвому времени, в другой части цикла переключения Q 1 включен, а Q 2 выключен, что означает V G2S2 T и V G1S1 >> V T . В это время напряжение V OUT приближается к напряжению на шине.Обратите внимание, что источник переключателя верхнего плеча подключен к V OUT , что означает, что затвор Q 1 превышает напряжение шины в течение части цикла переключения.

    Если бы ИС контроллера была подключена непосредственно к затвору Q 1 , от ИС потребовалось бы напряжение, превышающее V BUS + V T , что во многих случаях невозможно.

    Одна из основных задач драйвера затвора — обеспечить быстрое переключение силовых переключателей, что позволяет сократить время нарастания и спада.Это снижает потери в силовом каскаде, связанные со скоростью нарастания напряжения. В прошлом сила привода измерялась по пиковому току, а точнее — в драйвере R DSON . Полезно отметить, что требования к мощности для драйвера затвора с более высоким пиковым током (или более низким R DSON ) не обязательно выше, поскольку мощность, необходимая для переключения затвора, в основном управляется Q × V × F SW где Q — заряд затвора, V — размах напряжения затвора, а F SW — частота переключения системы 2 .

    Чтобы запитать драйвер затвора на переключателе верхнего плеча, источник питания должен иметь возможность следить за напряжением V OUT , поскольку затвор привязан к этому напряжению. Адекватная развязка часто может устранить любые всплески напряжения, возникающие из-за быстрого изменения опорного заземления изолированного источника питания. Кроме того, каждому драйверу затвора, не имеющему общего заземления, может потребоваться собственный изолированный источник питания. Рассмотрим типичную трехфазную систему, состоящую из трех ветвей полумоста, как показано на рисунке 2.В системе есть четыре отдельных заземляющих контакта, поскольку переключатели нижнего плеча имеют общую ссылку. В зависимости от того, требуется ли безопасность или функциональная изоляция, трехфазная система требует трех или четырех выделенных источников питания.

    Рисунок 2. Трехфазная блок-схема.

    Два требования, которые влияют на любой проект, — это размер решения и общая стоимость решения. Существуют компромиссы, которые будут изучены в различных вариантах. Основные требования для подачи изолированного питания на драйвер затвора можно резюмировать как:

    1. Обеспечьте достаточный перепад напряжения.
    2. Напряжения выше значения шины для части цикла переключения.
    3. Плавающее заземление, которое может следовать за напряжением средней точки полумоста.
    4. Достаточная сила привода.
    5. Компактный размер решения.
    6. Умеренная стоимость.

    Трансформаторы привода затвора

    Одним из первых решений для доставки изолированного сигнала затвора было использование управляющих трансформаторов затвора, подобных системе, изображенной на рисунке 3. В этой системе энергия передается через трансформатор, создавая необходимые напряжения затвора на вторичной стороне.Одним из преимуществ этой системы является то, что гарантированную дополнительную работу относительно легко обеспечить, если у одного из вторичных выходов полярность противоположна другому. Таким образом, чтобы управлять затвором верхней стороны и отключенным затвором, ток подается в первичную обмотку трансформатора в одном направлении, а управляющий ток в противоположном направлении переводит затворы в их противоположные состояния.

    Рисунок 3. Пример трансформатора привода затвора.

    Поскольку трансформаторы привода затвора действуют как источник питания для привода затвора, существует экономия размера решения рядом с приводимым затвором.Количество деталей также ниже, поскольку не требуется отдельный изолированный источник питания. Фактическая стоимость трансформаторов варьируется от умеренной до высокой.

    Трансформаторы

    не могут пропускать постоянный ток, поэтому в самой базовой топологии затвор видит второй баланс нулевого вольт, что означает, что с увеличением рабочего цикла пиковое положительное напряжение уменьшается. 3 . Это накладывает ограничения на рабочий цикл и затрудняет настройку мертвых времен. Быстрые изменения рабочего цикла также могут привести к проблемам с балансировкой насыщения сердечника.Существуют топологии с восстановлением постоянного тока, но необходимо соблюдать осторожность при отключении, иначе может легко произойти проскок, что делает трансформаторы управления затвором менее подходящими для приложений, требующих быстрого отключения, например, при обнаружении сбоя системы.

    Сердечник трансформатора управления затвором должен быть сброшен, иначе возникает риск насыщения, что накладывает дополнительные конструктивные ограничения на синхронизацию переключения. По указанным выше причинам трансформаторы управления затвором в значительной степени потеряли популярность из-за более надежных и высокопроизводительных систем.

    Специальные изолированные расходные материалы

    Другой метод изоляции привода затвора — передача информации синхронизации с помощью изоляторов. Оптопары используют свет для передачи данных синхронизации через изолирующий барьер на фототранзистор или фотодиод. Светоотдача внутренних диодов падает с возрастом и / или температурой, что приводит к временному сдвигу, который требует более широкого диапазона мертвых времен 4 . В качестве альтернативы оптопарам цифровые изоляторы обычно передают временную информацию через индуктивную или емкостную связь, что приводит к отсутствию временного сдвига из-за старения и значительно меньшего сдвига из-за температуры, чем оптопары.Как в оптопарах, так и в цифровых изоляторах выходной буфер передаваемого сигнала передает на затвор мощность главной передачи. Этот буфер может существовать внутри или вне пакета изолятора. Сдвигатели высокого уровня напряжения передают временные данные на сторону высокого напряжения за счет использования подтягивающих структур, которые могут принимать сотни вольт. Сдвигатели высокого уровня напряжения могут быть подвержены защелкиванию, если напряжение полумоста будет отрицательным, что не встречается в цифровых изоляторах и изоляторах оптопар.

    Самый простой способ запитать буфер — это обеспечить выделенный изолированный преобразователь постоянного тока в постоянный для каждой плавающей области полумоста.Для многопоточной системы драйверы затвора нижнего плеча могут совместно использовать источник напряжения до тех пор, пока выходной ток достаточен, как показано в примере системы на рисунке 2.

    Выделенные изолированные схемы питания не имеют требований к рабочему циклу или минимальной частоте переключения, а входы изолированного драйвера затвора могут управляться независимо, что позволяет настраивать мертвое время. Это происходит за счет большего размера решения и стоимости из-за дополнительных компонентов. Изолированный источник питания может быть создан на системном уровне с помощью таких топологий, как обратные или прямые преобразователи, включающие трансформаторы.Существуют также монолитные модули, такие как те, что доступны от Recom, которые специально разработаны для обеспечения высоких напряжений изоляции 5 .

    Конфигурация полумоста начальной загрузки

    Вне токов покоя выходная сторона изолированного драйвера затвора в основном принимает ток от шины питания при переводе затвора в высокий уровень. Как только напряжение затвора IGBT или MOSFET достигает шины питания, рассеивание минимально, поскольку затвор, по сути, представляет собой конденсатор.Для драйвера верхнего плеча это потребление тока совпадает со временем, когда напряжение полумоста подтягивается к напряжению на шине при включении полевого МОП-транзистора верхнего плеча. Это также означает, что непосредственно перед самым высоким потреблением тока заземление верхней стороны соединяется с землей нижней стороны переключателем питания нижней стороны. Используя один диод и конденсатор подходящей большой емкости на шине питания на стороне высокого напряжения, можно обеспечить временный источник напряжения, как показано с ADuM3223 на рисунке 4. Резистор показан последовательно с диодом начальной загрузки, чтобы контрольный пиковый ток заряда 6 .

    Рисунок 4. Пример начальной загрузки полумоста.

    Конденсатор начальной загрузки заряжается во время включения переключателя нижнего плеча и быстро разряжается, чтобы заполнить емкость затвора, но медленно разряжается во время включения переключателя верхнего плеча из-за токов покоя драйвера верхнего плеча. Это приводит к ограничению рабочего цикла системы и частоты переключения 7 . Пока есть достаточно времени для зарядки конденсатора начальной загрузки и переключатель верхнего плеча не включен дольше, чем может выдержать конденсатор, это решение превосходит показатели стоимости и размера решения, особенно в многофазных системах.Кроме того, можно одновременно заряжать несколько конденсаторов начальной загрузки, одновременно включив переключатели низкого напряжения во время запуска.

    Интегрированный драйвер питания и затвора

    Естественным движением к меньшему размеру решения является создание единой ИС с изолированным питанием и возможностями драйвера затвора. Самый эффективный способ передачи изолированной мощности — индуктивная связь. Оптопары и емкостные ответвители потребуют слишком большой площади, будут слишком медленными и будут иметь слишком большие потери энергии для поддержки такой системы.Для схем, которые используют комплексную топологию изолированного питания и драйвера затвора, в ИС можно использовать небольшие индукторы в масштабе микросхемы. Одна из таких систем, использующая ADuM5230, показана на рисунке 5. Это решение содержит катушки трансформатора для передачи информации синхронизации, а также катушки для передачи мощности на драйвер верхнего плеча, что устраняет необходимость в дополнительном внешнем изолированном источнике питания на высоком уровне. сторона 8 . Внешние буферы увеличивают пиковый выходной ток, что позволяет управлять большей емкостью затвора.Из-за пределов эффективности ограничивается максимальная рассеиваемая мощность и, следовательно, частота переключения и / или максимальная нагрузка заряда затвора. По мере развития технологий начнут появляться монолитные решения для более высоких системных требований.

    Рисунок 5. Пример внутреннего изолированного источника питания.

    Помимо ограничений по мощности, интегрированные изолированные системы питания и драйвера затвора обеспечивают отличный размер решения, а также устраняют минимумы рабочего цикла и частоты коммутации.

    Сводка

    Питание изолированной стороны вашей конфигурации полумоста представляет некоторые уникальные проблемы, но для разработчика существует множество топологий.Трансформаторы привода затвора превосходны по количеству деталей, но ограничены сложностью управляющего сигнала и ограничениями из-за динамики магнитного сердечника. Выделенные изолированные источники питания могут устранить требования к рабочему циклу и частоте с недостатком стоимости и размера решения. Если рабочий цикл и частота коммутации могут быть ограничены, конфигурация самонастройки полумоста является недорогой и может значительно снизить количество деталей и стоимость решения. Существуют некоторые высокоинтегрированные решения, в которых передача энергии происходит с помощью внутренних трансформаторов, что позволяет сэкономить на размере решения и количестве деталей.Благодаря множеству показанных топологий у проектировщика есть инструменты для создания надежного полумостового решения.

    использованная литература

    1. Ху, Кальвин. «Современные полупроводниковые приборы для интегральных схем». Прентис Холл; 2009
    2. Concept, «Правильно рассчитанные драйверы IGBT и MOSFET», примечание по применению AN-1001, стр. 1.
    3. Ридли, Рэй. «Советы по проектированию приводов затворов», Power Systems Design Europe, 2006, стр.14-18.
    4. Фу, Джи Чван. «Измерение срока службы светодиодов в оптопарах», Machine Design, 20 сентября 2012 г.
    5. Recom, «DC / DC-Converter ECONOLINE», техническое описание серии RP, ред. 0, 2014 г.
    6. Analog Devices, Inc., «ADuM3223», техническое описание, ред. D, http://www.analog.com/en/interface-isolation/digital- изоляторы / adum3223 / products / product.html, 2014.
    7. Адамс, Джонатан. «Выбор компонентов начальной загрузки для управляющих ИС», International Rectifier, Design Tip DT 98-2.
    8. Analog Devices, Inc., «ADuM5230», технический паспорт, ред. B, http://www.analog.com/en/interface-isolation/digital- изоляторы / adum5230 / products / product.html, 2013.

    Топологии источников питания SMPS: сравнение и выбор

    Что такое топология блока питания? Цепи импульсного источника питания ( SMPS ) содержат сети индукторов накопления энергии и конденсаторов, а также транзисторов и выпрямителей для управления мощностью. Их конкретная конфигурация называется топологией .Несмотря на то, что существует большое разнообразие топологий преобразователей, в практическом проектировании источников питания используется всего около десятка базовых. Их можно разделить на два основных семейства: buck и flyback в зависимости от метода работы. В семействе понижающих преобразователей энергия передается от входа к нагрузке в течение цикла проводимости переключающего транзистора. В семействе с обратным ходом энергия накапливается во «включенном состоянии» переключателя и доставляется на выход в «выключенном» состоянии.Любая практическая схема относится к одной из этих двух конфигураций или их комбинации. Примерами понижающего типа являются прямые и мостовые преобразователи. Примерами типа обратного хода (помимо обратного хода с изоляцией от трансформатора) являются повышающие и понижающие регуляторы.

    Полный автономный блок питания обычно содержит несколько ступеней преобразования. Обычно он состоит из секции выпрямителя, за которой следует повышающий PFC и один или несколько нижестоящих преобразователей постоянного тока в постоянный. Каждый из этих каскадов обычно управляется отдельной ИС контроллера, хотя существуют и комбинированные ИС PFC-PWM.В таблице ниже приведены и сравниваются электрические характеристики и характеристики основных схем одноступенчатого импульсного регулятора. За этой таблицей следует руководство по выбору регуляторов постоянного тока.

    РАССМОТРЕНИЕ ВЫБОРА ТОПОЛОГИИ

    .
    Не существует единой топологии, которая лучше всего подходила бы для всех приложений. Правильная топология импульсного источника питания для данного приложения должна быть выбрана на основе конкретных требований к конструкции источника питания, включая стоимость, размер, временные факторы и ожидаемый объем производства.Например, для небольших проектов инженерные расходы могут быть более важными, чем стоимость спецификации. В этом случае вы можете выбрать простой подход, основанный на учебнике, в котором вы наиболее опытны. Хорошо выполненный тривиальный дизайн лучше, чем плохо выполненный «навороченный». Конечно, хотя базовая конструкция может быть простой, соблюдение всех нормативных требований по безопасности и электромагнитной совместимости может оказаться очень трудоемкой задачей. Для крупносерийного производства вам потребуется приложить дополнительные инженерные усилия для разработки новых решений, минимизируя стоимость компонентов и трудозатраты на сборку.Когда функциональные требования довольно условны, уровень мощности обычно является основным фактором, определяющим выбор топологии. В качестве иллюстрации в приведенной ниже таблице показаны конфигурации, которые я обычно предпочитаю для нижестоящего преобразователя постоянного тока в схему переключения питания в автономном режиме, в зависимости от его уровня выходной мощности. Это руководство по выбору предназначено для источников питания с выходным напряжением ниже 60 В на линии постоянного тока от 120 до 400 В (которые являются типичными уровнями для выпрямленного входного линейного напряжения переменного тока или выходного сигнала при повышении коэффициента мощности PFC).На уровнях мощности выше 3000 Вт я бы подумал об использовании нескольких преобразователей с чередованием для распределения рассеяния тепла. Обратите внимание: вся информация здесь, конечно же, является лишь общим руководством, основанным на личном мнении автора.

    STRZ3302, STR-Z3302 ИС полумостового импульсного источника питания: Amazon.com: Industrial & Scientific


    • Убедитесь, что это подходит введя номер вашей модели.
    • STRZ3302, STR-Z3302 ИС полумостового импульсного источника питания
    ]]>
    Характеристики
    Фирменное наименование SWQHJR
    Ean 074

    84990

    Номер модели STRZ3302
    Количество позиций 1
    Номер детали STRZ3302
    Код UNSPSC 52161500
    UPC 74

    84990

    Полумостовые LLC-преобразователи с зеленым режимом

    Энергоэффективность

    «Зеленая» этикетка предназначена для максимального повышения эффективности в диапазоне нагрузок

    Блоки питания

    , продаваемые под маркировкой «Зеленый», предназначены для максимального повышения эффективности во всем диапазоне нагрузок (средний КПД в активном режиме) и минимизации энергопотребления без нагрузки.Эффективность активного режима — это среднее значение четырех измерений, выполненных при 25, 50, 75 и 100% полной нагрузки. Кодекс поведения ЕС также вводит минимальный КПД при нагрузке 10% для приложений, в которых источник питания работает длительное время при небольшой нагрузке.

    Существует мировое законодательство, направленное на внешние источники питания (EPS), в связи с их распространением и тем, что эти продукты часто остаются подключенными к источнику переменного тока, когда они не используются. Законодательство включает Европейскую директиву ErP (продукты, связанные с энергетикой), CoC (Кодекс поведения) ЕС, DOE (Министерство энергетики США), CEC (Энергетическая комиссия Калифорнии), EISA (Закон об энергетической независимости и безопасности), NRCan (Природные ресурсы Канада) MEPS (Стандарты минимальной эффективности, Австралия, Новая Зеландия, Корея и другие).

    Обеспечение соответствия пользователей экологическим критериям

    Кроме того, растет число производителей, применяющих аналогичные стандарты к спецификациям блоков питания компонентов, чтобы дать пользователям возможность соответствовать критериям экологичности для конечных приложений, таких как блоки питания серии XPs Green Power.

    Обычно используемый подход для источников питания в зеленом режиме в диапазоне 100-500 Вт — это полумостовой LLC-преобразователь с переменной частотой, используемый в сочетании с повышающим преобразователем с активной коррекцией коэффициента мощности (PFC) и схемой управления для соответствия экологическим требованиям с точки зрения эффективности. , потребляемая мощность без нагрузки и более высокий коэффициент мощности при 100 Вт и выше.

    Как каскад коррекции коэффициента мощности, так и LLC-преобразователь обычно имеют переменную частоту, LLC-преобразователь по своей природе и PFC, если он использует квазирезонансную топологию, такую ​​как переходный или минимальный режим переключения. Изменения в частоте коммутации PFC больше, чем LLC, поскольку она должна справляться как с выходной нагрузкой, так и с изменениями линии переменного тока, в то время как ступень LLC должна обрабатывать только изменения нагрузки с активной ступенью PFC, обеспечивающей стабильный вход на ступень LLC.

    В отличие от комбинации PFC и Fly-Back, где преобразователь PFC может быть отключен при малых нагрузках, чтобы снизить энергопотребление и позволить основному преобразователю работать в широком диапазоне входных сигналов, преобразователь LLC с переменной частотой не может управлять значительными изменениями входного сигнала. напряжение означает, что даже при небольшой нагрузке PFC должен продолжать работать и регулировать подачу питания на силовой каскад LLC.

    В результате для регулирования выходной мощности, поддержания эффективности и снижения энергопотребления без нагрузки и низкой нагрузки оба преобразователя PFC и LLC переходят в режим пакетной коммутации. Эффект пакетного переключения преобразователя PFC заключается в более низком коэффициенте мощности и несинусоидальной форме волны входного тока при более легких нагрузках.

    На осциллограмме ниже показан типичный преобразователь, работающий при 10% -ной нагрузке, оба преобразователя работают непрерывно в этом состоянии нагрузки.

    По мере дальнейшего снижения нагрузки преобразователи переходят в режим пакетного переключения, осциллограмма ниже показывает, что тот же преобразователь работает с нагрузкой 1%. Конвертеры начали переключаться пакетами по 400 мкс с частотой повторения около 800 Гц.

    При нулевой нагрузке пакеты переключения имеют минимальную продолжительность, а частота повторения снизилась примерно до 50 Гц. Каждый пакет переключений создает пик потребляемой мощности, который усредняется по времени, чтобы соответствовать общим требованиям к мощности без нагрузки.

    Как и в случае других топологий зеленого режима, побочным эффектом пакетного переключения может быть слышимый шум при холостом ходе или при очень небольшой нагрузке. Компоненты, части которых могут двигаться под действием электрического напряжения, могут действовать как преобразователи и издавать слышимый шум. Это могут быть намотанные компоненты, конденсаторы фильтра, линейные конденсаторы и демпфирующие конденсаторы.

    В конструкции приняты меры для уменьшения слышимого шума, такие как пропитка трансформаторов лаком, замена керамических конденсаторов на пленочные в ключевых областях, чтобы избежать пьезоэлектрических эффектов, и контроль частоты вспышек, чтобы избежать наиболее чувствительных к человеческому уху областей (2 кГц — 4 кГц).

    Эти шаги не могут устранить слышимость при любых условиях, но имеют большое значение для минимизации эффектов.

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.