Как устроен блок питания, часть 5
В готовом блоке питания она выглядит так, как показано на этом фото.
Такие блоки питания чаще всего идут в комплекте с недорогой техникой.
Следующим шагом идет двухполупериодный выпрямитель. Эта схема использовал раньше весьма часто, но в последнее время вытеснена другой, которую я покажу позже.
Такая схемотехника чаще всего встречается в мощных блоках питания, особенно она удобна в нерегулируемых блоках на базе драйвера IR2151-2153, о которых я рассказывал в прошлой части.
Как я тогда сказал, она хорошо подходит для построения первичных источников питания, которые не являются стабилизированными, но которые имеют хороший КПД и могут использовать для питания других устройств, например как этот блок питания лабораторного источника питания.
Особое преимущество данной схемы в том, что ее очень легко переделать в двухполярную и использовать для питания усилителей мощности. В таком варианте добавляется всего пара диодов и конденсатор.
Когда мощности обратноходовой схемотехники не хватает, то используют ее прямоходовый вариант. Здесь энергия при одном такте сначала накапливается в дросселе, а потом через нижний диод поступает в нагрузку. Данная схемотехника очень похожа на схему классического StepDown преобразователя.
Заметить что блок питания собран по такой схемотехнике очень просто, на плате будет большой дроссель. В качестве фильтрующих дроссели с таким габаритом используют крайне редко, потому ошибиться сложно.
Но есть альтернативный вариант этой схемы. Он применяется чаще всего в компьютерных блоках питания и ведет свои истоки от первых БП формата АТ.
Здесь присутствует накопительный дроссель, а первичная обмотка силового трансформатора связана с одной из обмоток трансформатора управления. Если изъять дроссель из этой схемы, то блок питания при нагрузке выше определенной выйдет из строя.
То же самое касается и предыдущей схемы.
Отличить блоки питания последних двух типов очень легко, слева БП построенный по аналогии блока питания АТ формата, у него сразу заметен трансформатор около транзисторов, справа однотактный прямоходовый, трансформатора здесь нет.
Дроссели имеют разные размеры, но это следствие разной рабочей частоты и иногда экономии производителя. Меньший дроссель в работе скорее всего будет перегреваться, да и схема можно работать не очень надежно при максимальной мощности.
Чаще всего в качестве выходных диодов импульсных блоков питания используются диоды Шоттки. Они имеют два важных преимущества перед обычными:
1. Падение напряжения на них в 1.5-2 раза меньше
2. Они быстрее, чем обычные диоды, потому имеют меньше потер при переключении.
В блоках питания рассчитанных на высокое выходное напряжение применяют чаще всего обычные диоды, так как прямое падение у высоковольтных обычных и Шоттки примерно одинаково. Но из-за того что Шоттки быстрее, можно получить уменьшенные потери на снаббере, потому я советую применять их и здесь.
Так как после выпрямления на конденсаторе будут присутствовать заметные пульсации, то после него ставят LC фильтр или говоря простым языком - дроссель и конденсатор
Для примера "народный" блок питания где явно виден как дроссель, так и два конденсатора.
Дроссель необязательно будет большим, а вполне может быть совсем миниатюрным. Работать правда он будет хуже, но это лучше чем ничего.
Иногда дроссель вообще не ставят, хотя место под него есть. Это банальная экономия "на спичках", я всегда рекомендую установить на это место дроссель.
Для примера уровень пульсаций без дросселя и с дросселем. Но стоит учитывать, что после установки дросселя пульсации на первом конденсаторе вырастут, так как на него будет приходится "ударный" ток. Обычно именно он выходит из строя первым.
Улучшить ситуацию можно установив параллельно электролитическим конденсаторам керамические. Данная мера можно существенно облегчить режим работы электролитов. Но стоит иметь в виду, что эффективно они работают только при относительно небольших мощностях БП, а точнее при относительно небольших токах. Можно конечно поставить много таких конденсаторов, но это дорого и габаритно.
При доработке конденсаторы можно напаивать прямо на выводы электролитических конденсаторов.
Я применяю конденсаторы с емкостью 0.1-0.47мкФ.
Чтобы еще немного улучшить качество работы, следует внимательнее отнестись к разводке печатной платы. Если страссировать плату по типу того как я показал на схеме, то пульсации могут еще немного уменьшиться, тем более что это бесплатно.
Ну и последний шаг, установка синфазного дросселя на выходе блока питания. Такое применяется чаще всего в фирменных блоках питания, которым требуется проходить сертификацию на уровень помех излучаемых в эфир. В дешевых практически никогда не встречается.
Теперь об выходных конденсаторах.
Если вы пользуетесь дешевыми блоками питания, то скорее всего на выходе увидите либо вообще безымянные модели.
Либо подделку под фирменные. Например в народном блоке питания применяют подделки под Sanyo или Nichicon, проверить очень просто, по маркировке. Скорее всего вы либо вообще не найдете конденсаторов такой серии, либо в этой серии не будет такого номинала с таким габаритом как у вас, либо внешне они будут отличаться цветом, как в данном случае.
Такие подделки на самом деле не самый худший вариант, но лучше применять фирменные.
Кстати в двухтактных БП конденсаторы обычно живут дольше и требования к их качеству меньше чем у обратноходовых однотактных.
Но все равно, лучше применять именно фирменные конденсаторы, а не суррогаты с их именем. На фото блок питания фирмы Менвелл.
Для облегчения работы конденсаторов есть способ, когда вместо одного двух емких устанавливают много менее емких конденсаторов. В таком варианте нагрузка лучше распределяется и конденсаторы живут дольше.
Схема стабилизации.
Самый простой вариант - стабилизировать напряжение по обратной связи со вспомогательной обмотки трансформатора, правда такое решение и самое плохое в плане стабильности, так как влияет магнитная связь между обмотками и их активное сопротивление, зато дешево.
Следующий вариант сложнее, здесь в качестве порогового элемента применен стабилитрон. В таком варианте выходное напряжение Бп будет равно падению на стабилитроне + напряжению на светодиоде оптрона. Характеристики схемы так себе, но вполне приемлемы для некритичных нагрузок.
Например блок питания с такой стабилизацией. Сверху около оптрона ничего нет.
Снизу расположен стабилитрон и несколько резисторов
Но куда лучшие характеристики показывает схема с регулируемым стабилитроном TL431. Она имеет куда выше качество работы и точность поддержания в том числе лучше держит параметры при изменении температуры.
На плате она обычно выглядит так, как показано на фото.
Выглядит он примерно как обычный транзистор в корпусе ТО-92, отличие только в маркировке. Данный вариант встречается чаще всего. Альтернативный вариант, который вы можете встретить, SMD корпус SOT-23.
Расположение выводов в разных вариантах корпуса.
Например в "народном" блоке питания применен SMD вариант корпуса. На фото видны резисторы делителя обратной связи и вспомогательные, например "подтяжки" к питанию чтобы сформировать минимальный рабочий ток для стабилитрона.
Еще пара фото, сверху платы ничего нет, а стабилитрон TL431 находится снизу.
Иногда в цепи обратной связи ставят подстроечный резистор. Но сначала я скажу пару слов о том, как рассчитывается делитель.
Теперь к подстроечному резистору. Для большего удобства на плате может располагаться подстроечный резистор, позволяющий менять выходное напряжение в небольших пределах, чаще всего +/- 10-20%, больший диапазон не рекомендуется, так как Бп может вести себя нестабильно.
Подстроечный резистор всегда должен стоять последовательно с нижним резистором делителя, тогда в случае выхода его из строя вы получите на выходе Бп минимальное напряжение, а не максимальное, как если бы подстроечный резистор стоял сверху.
Кроме того подстроечные резисторы часто имеют низкую надежность, и если вам не нужна эта функция, то лучше заменить его на постоянный, предварительно подобрав его номинал.
Полностью на плате весь этот узел выглядит следующим образом.
Пару слов о выходном нагрузочном резисторе.
Импульсный блок питания плохо работает без нагрузки, потому параллельно выходу обычно ставят нагрузочный резистор, обеспечивающий минимально необходимую нагрузку при которой БП работает стабильно.
Есть и минус у данного решения, резистор обычно греется, причем иногда заметно. Кроме того этот резистор может греть конденсаторы если они стоят рядом, как на этом фото.
Иногда они греются так, что на плате становятся видны следы перегрева. Но кроме того этот нагрев может плохо сказываться на стабильности БП если он подогревает резисторы делителя обратной связи и они при этом применены обычного типа, а не точные/термостабильные.
Резисторы греются, параметры начинают меняться и меняется выходное напряжение БП, потому рекомендуется располагать резисторы делителя так, чтобы они не были подвержены нагреву, а кроме того лучше применять точные резисторы, на которые нагрев влияет существенно меньше.
Иногда производители неправильно выбирают номинал нагрузочного резистора и он начинает греться сильнее чем допустимо. Например в 24 Вольте версии "народного" блока питания как раз была такая ситуация, пришлось поменять его потом на резистор в два раза большего номинала.
Чтобы ваши блоки питания работали надежно, следует внимательно отнесись к подбору компонентов.
Диоды выбираются из расчета двухкратного запаса для двухтактной схемы и трехкратного для однотактной, например БП 5-7 Ампер, значит диод ставим на 15-20.
Напряжение должно быть не менее чем в четыре раза больше чем выходное у блока питания, если БП на 12 Вольт, то диод на 60, если на 24, то на 100.
Все эти параметры есть в даташите на диоды
Также они указаны на самих диодах.
Конденсаторы следует выбирать низкоимпедансные или LowESR, это также обычно отражено в даташите на компонент.
Емкость выбираем из расчета 0.5-1 тысяч мкФ на 1 Ампер выходного тока. Напряжение - для двухтактной схемы 1.5-2 раза выше чем выходное, для обратноходовой однотактной - не менее чем 2х от выходного.
По фирмам смотрим чтобы были известные бренды, но это я писал и в статье про входной фильтр, здесь рекомендации аналогичны.
С выходным дросселем все гораздо проще, номинальный ток дросселя не менее чем максимальный выходной ток блока питания. Лучше применить дроссель на больший ток, тогда его нагрев будет существенно меньше. Индуктивность 4.7-22мкГн, зависит от выходного тока, так как дроссель на большой ток и индуктивность будет весьма большим.
Обычно дроссели выполняются либо в виде "гантельки", либо в "броневом" исполнении, вторые чаще предназначены для поверхностного монтажа.
В общих чертах на этом все, и конечно видеоверсия данной статьи. Как всегда буду рад вопросам и пожеланиям.
| В статье речь об импульсных блоках питания (далее ИБП), которые сегодня получили самое широкое применение во всех современных радиоэлектронных устройствах и самоделках. Основной принцип заложенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Герц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется. Преобразование осуществляется с помощью мощных транзисторов, работающих в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый – выполняется по схеме импульсного автогенератора и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств). Поскольку частота преобразователя обычно выбирается в среднем от 20 до 50 килогерц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно минимизируются, что является очень важным фактором для современной аппаратуры. Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением смотрите ниже: Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – это широтно-импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса. Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора T1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный. В ИБП используются 2 принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный способ называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора: Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера. С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится. В заключении темы хотелось бы более подробно описать преимущества ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП, так как меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 85 %. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи. К минусам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым самим ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5 вольт) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 вольт. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП. |
Как работает импульсный блок питания ⋆ diodov.net
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.
E ~ f∙w∙Φ
Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.
E ~ f∙w∙B∙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 = lв∙w∙Sв∙γм.
Длина витка lв определяется его диаметром dв, поэтому можем переписать предыдущее выражение следующим образом:
mо = π∙dв∙w∙Sв∙γм.
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 = I∙j.
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/мм2. 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/мм2. Это значит, что через медный провод сечением 1 мм2 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.
Еще статьи по данной теме
Основной принцип заложенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Герц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.
Преобразование осуществляется с помощью мощных транзисторов, работающих в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый - выполняется по схеме импульсного автогенератора и второй - с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).
Поскольку частота преобразователя обычно выбирается в среднем от 20 до 50 килогерц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно минимизируются, что является очень важным фактором для современной аппаратуры.
Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением смотрите ниже:
Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ - это широтно-импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора T1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения - процесс обратный.
В ИБП используются 2 принципа реализации цепей слежения - «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный способ называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:
Как вы можете себе представить, сложность схемы переключаемых регуляторов отбросила их использование, пока не так давно, в область высоких мощностей или специальных приложений. Однако в настоящее время существуют интегральные схемы, которые облегчают и уменьшают издержки такого типа регуляторов, с которыми его использование в последние годы значительно расширилось.
Эти источники могут быть получены как отдельный компонент в бизнесе отрасли. Каждый источник питания имеет разъемы для входного кабеля 220 В или 110 В и вентилятора. Все в маленькой металлической коробке с большим количеством вентиляционных отверстий.
Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.
С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально
Мощный стабилизатор тока и напряжения на TL494
Этот стабилизатор обладает неплохими характеристиками, имеет плавную регулировку тока и напряжения, хорошую стабилизацию, без проблем терпит короткие замыкания, относительно простой и не требует больших финансовых затрат. Он обладает высоким кпд за счет импульсного принципа работы, выходной ток может доходить до 15 ампер, что позволит построить мощное зарядное устройство и блок питания с регулировкой тока и напряжения. При желании можно увеличить выходной ток до 20-и и более ампер.
В интернете подобных устройств, каждое имеет свои достоинства и недостатки, но принцип работы у них одинаковый. Предлагаемый вариант - это попытка создания простого и достаточно мощного стабилизатора.
За счет применения полевых ключей удалось значительно увеличить нагрузочную способность источника и снизить нагрев на силовых ключах. При выходном токе до 4-х ампер транзисторы и силовой диод можно не устанавливать на радиаторы.
Номиналы некоторых компонентов на схеме могут отличаться от номиналов на плате, т.к. плату разрабатывал для своих нужд.
Диапазон регулировки выходного напряжения от 2-х до 28 вольт, в моем случае максимальное напряжение 22 вольта, т.к. я использовал низковольтные ключи и поднять напряжение выше этого значения было рискованно, а так при входном напряжении около 30 Вольт, на выходе спокойно можно получить до 28-и Вольт. Диапазон регулировки выходного тока от 60mA до 15A Ампер, зависит от сопротивления датчика тока и силовых элементов схемы.
Устройство не боится коротких замыканий, просто сработает ограничение тока.
Собран источник на базе ШИМ контроллера TL494, выход микросхемы дополнен драйвером для управления силовыми ключами.
Хочу обратить ваше внимание на батарею конденсаторов установленных на выходе. Следует использовать конденсаторы с низким внутренним сопротивлением на 40-50 вольт, с суммарной емкостью от 3000 до 5000мкФ.
Нагрузочный резистор на выходе применен для быстрого разряда выходных конденсаторов, без него измерительный вольтметр на выходе будет работать с запаздыванием, т.к. при уменьшении выходного напряжения конденсаторам нужно время, для разрядки, а этот резистор быстро их разрядит. Сопротивление этого резистора нужно пересчитать, если на вход схемы подается напряжение больше 24-х вольт. Резистор двух ваттный, рассчитан с запасом по мощности, в ходе работы может греться, это нормально.
Как это работает:
ШИМ контроллер формирует управляющие импульсы для силовых ключей. При наличии управляющего импульса транзистор, и питание по открытому каналу транзистора через дроссель поступает на накопительный конденсатор. Не забываем, что дроссель является индуктивной нагрузкой, которым свойственно накапливание энергии и отдача за счет самоиндукции. Когда транзистор закрывается накопленный в дросселе заряд через диод шоттки продолжит подпитывать нагрузку. Диод в данном случае откроется, т.к. напряжение с дросселя имеет обратную полярность. Этот процесс будет повторяться десятки тысяч раз в секунду, в зависимости от рабочей частоты микросхемы ШИМ. По факту ШИМ контроллер всегда отслеживает напряжение на выходном конденсаторе.
Стабилизация выходного напряжения происходит следующим образом. На неинвертирующий вход первого усилителя ошибки микросхемы (вывод 1) поступает выходное напряжение стабилизатора, где оно сравнивается с опорным напряжением, которое присутствует на инверсном входе усилителя ошибки. При снижении выходного напряжения будет снижаться и напряжение на выводе 1, и если оно будет меньше опорного напряжения, ШИМ контроллер будет увеличивать длительности импульсов, следовательно транзисторы больше времени будут находиться в открытом состоянии и больше тока будет накачиваться в дроссель, если же выходное напряжение больше опорного, произойдет обратное - микросхема уменьшит длительность управляющих импульсов. Указанным делителем можно принудительно менять напряжение на неинвертирующщем входе усилителя ошибки, этим увеличивая или уменьшая выходное напряжение стабилизатора в целом. Для наиболее точной регулировки напряжения применён подстроечный многооборотный резистор, хотя можно использовать обычный.
Минимальное выходное напряжение составляет порядка 2 вольт, задается указанным делителем, при желании можно поиграться с сопротивлением резисторов для получения приемлемых для вас значений, не советуется снижать минимальное напряжение ниже 1 вольта.
Для отслеживания потребляемого нагрузкой тока установлен шунт. Для организации функции ограничения тока задействован второй усилитель ошибки в составе ШИМ контроллера тл494. Падение напряжения на шунте поступает на неинвертирующий вход второго усилителя ошибки, опять сравнивается с опорным, а дальше происходит точно тоже самое, что и в случае стабилизации напряжения. Указанным резистором можно регулировать выходной ток.
Токовый шунт изготовлен из двух параллельно соединённых низкоомных резисторов с сопротивлением 0,05Ом.
Накопительный дроссель намотан на желто белом кольце от фильтра групповой стабилизации компьютерного блока питания.
Так как схема планировалась на довольно большой входной ток, целесообразно использовать два сложенных вместе кольца. Обмотка дросселя содержит 20 витков намотанных двумя жилами провода диаметром 1,25мм в лаковой изоляции, индуктивность около 80-90 микрогенри.
Диод желательно использовать с барьером Шоттки и обратным напряжением 100-200 вольт, в моем случае применена мощная диодная сборка MBR4060 на 60 вольт 40 Ампер.
Силовые ключи вместе с диодом устанавливают на общий радиатор, притом изолировать подложки компонентов от радиатора не нужно, т.к. они общие.
Подробное описание и испытания блока можно посмотреть в видео
Печатная плата тут
Мы имеем множество различных устройств, подключая которые к сети мы даже не задумываемся о том, какое питание им необходимо. Значительная часть бытовой техники имеет импульсный блок питания. Даже светодиодные или люминесцентные цокольные лампы имеют встроенный источник импульсного питания (ИИП).
Содержание статьи
Что делает импульсный блок питания (ИБП)
В сети напряжение имеет синусоидальную форму. Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение. Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение. Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.
Примеры импульсных блоков питания:
- Зарядное устройство для телефона или смартфона;
- Внешний блок питания ноутбука;
- Блок питания компьютера;
- Блок питания для светодиодной ленты.
Импульсный блок питания Robiton EN5000S. Предназначен для питания от источника переменного тока 100-240В приборов с напряжением 6,0 / 7,5 / 9,0 / 12,0 / 13,5 / 15 / 16В и максимальным входным током 5000 мА
Есть импульсные источники питания выдающие постоянное напряжение одного номинала. Наиболее распространенные на — 5 В, 12 В или 24 В. Есть устройства, выдающие сразу несколько уровней. Такие, например, стоят в компьютерах. На выходе они формируют сразу 5 В и 12 В. Есть — регулируемые ИИП, при помощи переключателей в них можно задавать выходные параметры (в определенных рамках). Импульсный блок питания может быть в виде отдельного устройства или являться частью какого-то более сложного прибора.
Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи источника импульсного питания
Если говорить об отдельных ИБП, то самыми распространенными, пожалуй, являются зарядные устройства для телефонов, ноутбуков. Они имеют компактные размеры, так как требуется небольшая мощность. Встроенный импульсный блок питания есть в телевизорах, компьютерах и другой сложной электронике, в некоторых бытовых приборах. Блоки питания бывают линейные (трансформаторные) или импульсные (инверторные).
Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.
Оба типа блоков питания преобразуют синусоиду в постоянный ток, но вот путь преобразования разный, да и результаты несколько отличаются. Импульсный блок питания отличается высокой стабильностью работы. Тем не менее трансформаторные источники еще в ходу. Почему? Стоит разобраться.
Чем отличается от трансформаторного блока питания
И трансформаторный (линейный) и импульсный (инверторный) БП выдают на выходе постоянное напряжение. Причем вторые имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто ниже по цене, да еще и напряжение дают более «качественное» и независящее от параметров исходной синусоиды (а она далеко не идеальная в наших сетях). Так почему же используют и трансформаторные блоки, и импульсные? Чтобы понять, надо знать в чем отличие трансформаторного блока питания от импульсного. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. На основании этого можно уяснить основные свойства.
Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания
Как работает трансформаторный блок питания
В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.
Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе. Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение.
Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации
Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты. Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.
Устройство импульсного блока питания и его принцип работы
В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Сетевой фильтр в дешевых моделях стоит не всегда, и в этом зачастую кроется проблема с нестабильной работой каких-то устройств, которые мы часто списываем на «падение напряжения в сети».
Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность. Их параметры (частота и скважность) задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей.
Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках
Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети. Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин (в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали).
На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.
Достоинства и недостатки импульсных блоков питания
Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения. Для наших сетей это актуально. Но не только это. Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно.
Размер тоже имеет значение
Кроме того импульсники имеют высокий КПД — до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны. При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей.
Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи. Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.
Схемы импульсных блоков питания
Чтобы понимать, как работает импульсный блок питания, надо разобраться в том, что происходит в каждой его части. Сделать это проще по схемам. Мы приведем только некоторые, так как вариантов и вариаций — море. Схема импульсного блока питания содержит пять обязательных блоков плюс обратная связь. Вот о каждом элементе и поговорим отдельно, Попутно приведем полные схемы ИБП с использованием различной элементной базы.
Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности
Входной фильтр
Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель, который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.
Схема простейшего входного фильтра
Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения (до 2,5 кВ), гася тем самым помехи между фазой и нейтралью (противофазные помехи). Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех.
Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа (которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ). Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.
Оба типа конденсаторов (X и Y), который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости (по сравнению с обычными).
Схема для компенсации всех типов помех
Но для корректной работы этой схемы необходимо рабочее заземление. Его надо подключить к корпусу блока питания. Без заземления, корпус блока питания будет находиться под напряжением около 110 В. Ток будет очень маленьким, но прикосновения будут ощутимы.
Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр
Как уже сказано выше, выпрямитель проводит предварительное выпрямление синусоиды. Если установлен один диод, он отсекает нижние (отрицательные) полуволны.
Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода низкий КПД и большая пульсация выпрямленного напряжения. По этим причинам предпочтительней мостовая схема на четырех диодах
В самом простом случае выпрямитель — диод Шоттки, но может использоваться и диодный мост с параллельно подключенным конденсатором. Для диодных мостов часто применяют обычные диоды типа 1N4007, но лучше все-таки устанавливать все те же диоды Шоттки. Они «быстрее», так что можно получить лучше результаты на выходе.
Несколько схем фильтров разной степени сложности
Один диод ставят в блоках питания к недорогой технике. На его выходе напряжение имеет вид идущих с некоторыми промежутками положительных полуволн. На выходе диодного моста пульсации намного ниже, так что такой выпрямитель ставят для более требовательных к питанию приборов. Пульсирующее напряжение с выхода диода/диодного моста подается на конденсатор (он должен быть рассчитан на напряжение 270-400 В), который из полуволн делает «зубчики». Тут уже получаем более-менее стабильное постоянное напряжение.
Инвертор или блок ключей
На следующем блоке выпрямленное напряжение преобразуется в импульсы. Частота импульсов высокая — от 10 до 50 кГц. Есть два способа реализации этих блоков: при помощи микросхем, на основе автогенератора (блокинг-генератора).
Еще одна блок-схема ИИП
Во втором случае используется пара транзисторов, которые включаются попеременно, формируя на выходе последовательность импульсов. Частота переключений задается генератором. Такие схемы встречаются и сейчас, но большинство реализуется на микросхемах.
Пример схемы инвертора на транзисторах
Если есть микросхема, зачем городить огород из нескольких десятков деталей. Тем более, что требуемый тип микросхем широко распространен и стоит немного. Это так называемые ШИМ-контроллеры ( TL494, UC384х, Dh421, TL431, IR2151, IR2153 и др). К этим микросхемам надо добавить всего-лишь пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получим требуемый инвертор.
Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей
ШИМ-контроллер отлично встраивается в любой тип схем. Он совместим с обратноходовыми, полумостовыми и мостовыми схемами выпрямителей. Естественно, отличается количество элементов, но все они простые и доступные.В обратноходовых схемах транзисторы должны быть рассчитаны на более высокое напряжение, чем подается на вход.
Устройство импульсного источника напряжения с ШИМ контроллером и двухтактным и мостовым выпрямителем
По полумостовым схемам построены импульсные блоки питания в осветительных приборах, в энергосберегающих и светодиодных лампах, электронный балласт для люминисцентных ламп (ЭПРА). Мостовые схемы применяют в более мощных блоках. Например, в сварочных инверторах.
Есть и более «серьезные» контроллеры, которые параллельно с работой, проверяют параметры входного и выходного напряжения и, при неисправностях, просто блокируют свою работу. Так как в импульсном блоке питания этот компонент, обычно, самый дорогой, это очень неплохо. Заменив неисправные детали (обычно резисторы или конденсаторы), получаем рабочий агрегат.
Силовой трансформатор
Узел трансформатора на блоке питания является одним из самых стабильных. В этом блоке, кроме самого трансформатора, содержится небольшая группа элементов которая нейтрализует выброс тока, который возникает на обмотках трансформатора при смене полярностей. Эта группа называется «снаббер».
Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер — зеленым
Трансформатор — один из самых надежных элементов. В нем очень редко возникают проблемы. Он может повредиться при пробое инвертора. В этом случае через обмотку течет слишком высокий ток, который и выводит из строя трансформатор.
Схема блока силового трансформатора для ИИП
Работает все это следующим образом:
- На первом такте работы импульсного источника питания открыт ключ ВТ1 (полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа). Ток течет через первичную обмотку трансформатора, заряд накапливается в сердечнике.
- На втором такте ключ закрывается, ток течет во вторичной обмотке через диод VD2.
- При переключении на первичной обмотке возникает выброс, который вызван неидеальностью деталей. Тут в работу вступает снаббер. Его задача поглотить этот выброс, так как напряжение может быть достаточно большим и может повредить ключевой транзистор, что приведет к неработоспособности схемы. Ток выброса течет через первичную обмотку трансформатора, диод VD1, через сопротивление R1 и емкость C2.
- Далее полярность снова меняется, вступает в работу ключ ВТ1.
Номиналы выбираются исходя из параметров трансформатора. Подбор сложный, так что описывать его не имеет смысла. И еще: не во всех схемах есть снаббер, но его наличие увеличивает надежность и стабильность работы импульсного источника питания.
Несколько слов о диодах, которые используют в снабберах. Это может быть обычный диод, подобранный по параметрам, но более надежны схемы со стабилитроном. Еще может быть вариант без резистора и емкости, но с включенным навстречу супрессором (на схеме ниже).
Еще один вариант блока силового трансформатора с использованием супрессора (защитного диода) D1
Супрессор — это защитный диод, принцип работы похож на стабилитрон, вот только выравнивается импульсный ток и рассеиваемая мощность. Может быть несимметричный и симметричным.
Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор
На этом, можно считать со схемой импульсного блока питания разобрались, так как выходные выпрямитель и фильтр устроены по тому же принципу. Элементы могут быть другие, а схемы те же. Единственное, что еще стоит рассмотреть — стабилизация выходных параметров. Это опционная часть, но такой импульсный блок питания более надежен.
Наиболее простой и дешевый способ стабилизации используется в дешевых блоках питания — обратная связь на пассивных элементах. На схеме ниже, это два резистора R6 и R7, подключенные к вспомогательной обмотке силового трансформатора. Не слишком надежно, потому что есть влияние между обмотками, но просто и недорого.
Простой способ стабилизации
Второй вариант стабилизатора выходного напряжения сделан на стабилизаторе VD9 и оптроне HL1. Выходное напряжение складывается из падения на стабилитроне и напряжения на оптроне. Это чуть более надежная схема для ИИП средней мощности.
Стабилизация выхода ИИП при помощи стабилитрона и оптрона
Наиболее стабильные выходные показатели имеют схемы ИИП со стабилизатором TL431.
TL431 — интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА.
ИБП с использованием микросхемы TL431 более сложные, но надежные. В таких схемах может быть подстроечный переменный резистор, который позволяет изменять выходное напряжение в небольших пределах. Обычно подстройка составляет не более 20%, так как в противном случае схема может быть нестабильной.
Схема со стабильным напряжением на выходе
Если подстройка выходного напряжения не нужна, лучше подстроечный резистор заменить обычным, так как переменные менее надежны.
Пару слов о резисторе R20 (см. схему выше), который стоит на выходе. Это так называемый, нагрузочный резистор. Как известно ИИП не будет работать без нагрузки. Поэтому на выходе и ставят сопротивление, которое обеспечивает минимальную рабочую нагрузку. Но это решение неидеально, так как резистор греется и порой очень сильно. Располагать рядом конденсаторы крайне нежелательно, иначе подогреваются и они. А в качестве выходного сопротивления должны стоять высокоточные резисторы, так как они при нагреве мало меняют свои параметры (блок выдает стабильное напряжение даже при длительной работе).
лучшие простые и сложные схемы и сборки
Автор Акум Эксперт На чтение 9 мин. Просмотров 1.9k. Опубликовано
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 вопросВнимание! 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.
Многие производители сейчас рекламируют и продают цифровые блоки питания - эти блоки обеспечивают повышенную производительность
Схемы блоков питания Учебник для начинающих и учебник Включает в себя:
Обзор электроники блока питания
Линейный источник питания
Импульсный источник питания
Защита от перенапряжения
Спецификации блока питания
Цифровая мощность
Шина управления питанием: PMbus
Бесперебойный источник питания
Цифровые источники питания
используются все чаще, поскольку они способны обеспечить улучшенный уровень производительности по сравнению с более традиционными источниками питания.
Термины «цифровой источник питания» и «цифровой источник питания» используются многими компаниями для описания своих новых продуктов питания.
Цифровое питание и цифровое питание могут означать разные вещи для разных людей. Для некоторых термин «цифровой источник питания» может свободно относиться к источнику питания, в котором используется технология переключения, то есть к источнику питания с переключаемым режимом.
Но термин «цифровое питание» или «цифровой источник питания» действительно относится к источнику питания, в котором цифровая технология используется в контуре обратной связи и для управления источником питания.Другими словами, цифровой источник питания использует цифровую технологию для управления и контроля выхода, а также другие аспекты работы источника.
Что такое цифровая мощность: определение
Многие могут спросить: что такое цифровая энергия? Ответ на это заключается в том, чтобы сначала дать определение цифровой мощности, а затем углубиться в тему, чтобы заполнить детали.
Digital Power может быть определено как приложения питания, которые используют решения с цифровым управлением и цифровым управлением для обеспечения функций конфигурации, мониторинга, обратной связи и контроля или управления, которые распространяются на полный цикл управления с использованием цифровых аппаратных и программных алгоритмов.
Основы цифровой мощи
Целью источника питания является преобразование фиксированного или переменного входного напряжения в фиксированное выходное напряжение.
Чтобы обеспечить регулируемые точные выходы напряжения, источники питания используют отрицательную обратную связь, чтобы обнаружить ошибку на требуемом выходе, измеренную по заданному заданию, и подать это напряжение ошибки обратно на вход, чтобы исправить ошибку.
Традиционный способ получения обратной связи - использование аналоговых методов, но это также может быть сделано с использованием цифровых методов.Это обеспечивает гораздо более высокий уровень гибкости и предоставляет возможность повышения производительности.
Обычно цифровые источники питания применяются для переключения источников питания. Они работают, имея последовательный транзистор, который включен или выключен. Чем дольше он остается, тем больше выходной конденсатор сможет заряжаться, и, следовательно, тем выше будет выходное напряжение. Другими словами, переключатель имеет широтно-импульсную модуляцию.
Рабочий цикл широтно-импульсной модуляции контролируется контуром обратной связи внутри источника питания.Если выходное напряжение падает слишком далеко или нагрузка увеличивается, ширина импульса увеличивается, чтобы можно было извлечь больше заряда из выходного конденсатора без падения напряжения. Аналогично, если нагрузка уменьшается, ширина импульса также уменьшается, чтобы поддерживать то же выходное напряжение.
В случае цифрового источника питания контур обратной связи, используемый для управления широтно-импульсной модуляцией, является цифровым.
Для этого сигнал обратной связи преобразуется в цифровой номер с использованием аналого-цифрового преобразователя.
Результирующий номер сигнала обратной связи сравнивается в цифровом виде с установленным эталонным номером требуемого напряжения, и генерируется ошибка.
Термин ошибки вводится в цифровой эквивалент фильтра контура. Это называется Пропорционально-интегрально-производным или ПИД-фильтром. Три члена соответствуют трем элементам фильтра, которые действуют параллельно:
- Пропорционально: Этот элемент обратной связи цифрового источника питания обеспечивает усиление для сигнала ошибки.Если усиление установлено на высоком уровне, то выходное напряжение источника питания быстро вернется к требуемому значению.
- Integral: Интегральный путь в контуре обратной связи цифрового источника питания является интегралом времени от прошлых напряжений ошибки и позволяет поддерживать постоянное выходное напряжение, даже когда сигнал ошибки равен нулю.
- Производная: Этот путь в контуре обратной связи для цифрового источника питания устанавливает скорость изменения для сигнала ошибки.По мере того, как выходная мощность источника приближается к требуемому значению, скорость изменения уменьшается и, таким образом, значительно снижается выброс.
Использование всех трех элементов в контуре обратной связи для цифрового источника питания позволяет поддерживать стабильность контура при сохранении ошибки смещения нуля.
Преимущества цифрового питания
Есть много причин для использования цифровых источников питания; Преимущества цифрового питания означают, что он может многое предложить.
- Параметры могут быть изменены во время работы: Цифровые источники питания обеспечивают значительную гибкость.Одним из способов использования этого преимущества является изменение характеристик источника питания во время его работы. Это может быть использовано, например, для изменения характеристик, если нагрузка изменилась с полной нагрузки на очень маленькую, или если изменилась температура и т. Д.
- Компенсация смещения компонентов: В цифровой источник питания может быть введен алгоритм для компенсации изменений значений компонентов из-за повышения температуры, отклонений допуска и даже старения.
- Скоординированная работа: Многие источники питания имеют много разных выходов. Использование цифрового источника может облегчить адаптацию отклика источников, чтобы изменения в одном из них могли повлиять на выход в других. Один простой пример может состоять в том, что один источник должен подойти после других в определенных ситуациях. Хотя простой пример, подобный этому, может быть реализован с использованием аналогового источника питания, более сложные функции могут быть реализованы гораздо проще с использованием цифрового источника питания.
- Более быстрая петля обратной связи: Использование аналоговой петли обратной связи с встроенными в нее конденсаторами и т. Д. Приводит к замедлению времени реакции всего источника питания на любые изменения. Использование цифрового источника питания может улучшить его время отклика на любые изменения.
- Улучшение характеристик EMI: EMI является важным аспектом любой конструкции, и для переключения источников питания это может быть серьезной проблемой, поскольку пики переключения могут вызывать увеличение излучаемых излучений.Технология цифрового источника питания может помочь в этом, изменяя скорость включения последовательного силового полевого МОП-транзистора в ответ на изменения нагрузки.
Есть много преимуществ использования технологии цифрового источника питания. В результате эта технология все чаще используется в конструкциях блоков питания всех видов.
Реализация цифровой мощности
Цифровые источники питания, как правило, построены на цифровых микросхемах питания, которые были разработаны специально для этих приложений.
Ряд компаний по управлению питанием разработал новое поколение цифровых чипов питания, которые составляют основу получаемых блоков питания. Большая часть работы по разработке была проделана, и имеются комплекты для разработки, позволяющие быстрее выводить проекты на рынок.
Цифровые блоки питаниявсе чаще появляются на рынке. Также этот термин используется без разбора многими для описания источника питания, который может быть просто импульсным источником питания.Иногда необходимо внимательно изучить спецификацию источника питания, чтобы убедиться, что он представляет собой настоящий цифровой источник питания и обеспечивает улучшенную производительность по сравнению с другими более традиционными типами.
Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя
Операционные усилители
Цепи питания
Транзисторная конструкция
Транзистор Дарлингтон
Транзисторные схемы
Полевые схемы
Схема символов
Возврат в меню схемы., ,
Блок питания
Описание: источник питания - это устройство, содержащее трансформатор, который понижает переменный ток высокого напряжения, подаваемый утилитой, до более низкого напряжения, которое может использоваться вашей системой DCC. Источник питания также может преобразовывать переменный ток, подаваемый утилитой, в постоянный ток.
Основные понятия
- Safety First
- Если вы не квалифицированы для работы с электрическими и электронными устройствами, не пытайтесь создавать, модифицировать или ремонтировать такие устройства, как источники питания.
Источник питания - это устройство, содержащее трансформатор, который понижает переменный ток высокого напряжения, подаваемый утилитой, до более низкого напряжения, которое может использоваться вашей командной станцией и / или усилителем. Блок питания , обычно , не входит в большинство стартовых комплектов DCC. При добавлении бустеров вам нужно будет купить дополнительные источники питания для питания бустеров. Источник питания может обеспечивать низкое напряжение переменного или постоянного тока. Для питания постоянного тока источник питания содержит диоды для выпрямления переменного тока, подаваемого трансформатором.Качество вывода постоянного тока связано со сложностью конструкции и конструкции блока питания. Регулируемый источник постоянного тока будет пытаться подавать одно и то же напряжение независимо от нагрузки. Лучший источник питания всегда будет отражаться на цене.
При покупке блока питания убедитесь, что устройство соответствует требованиям UL, ULC, CSA или других учреждений для безопасной работы. Если вы строите источник питания, приобретите компоненты, соответствующие требованиям UL, ULC, CSA и т. Д., Утвержденные по мере необходимости, и обязательно включите защиту от перегрузки по току в виде плавкого предохранителя или автоматического выключателя.Если вы не уверены в том, что вы делаете, попросите кого-нибудь помочь вам, особенно при работе с высоким напряжением.
Имейте в виду, что многие источники питания имеют двойную изоляцию . Чтобы сохранить эту классификацию, не подключайте сторону низкого напряжения к заземлению. заземления предназначен в качестве точки отсчета для стороны низкого напряжения, и она не должна быть соединена с землей на стороне высокого напряжения.
Источники питания
Источники переменного тока
Блоки питания переменного токадовольно просты по конструкции.Самая простая конструкция - это трансформатор с первичной обмоткой высокого напряжения и вторичной обмоткой низкого напряжения. Коэффициент трансформации определяет вторичное напряжение. Выбор дизайна определяет текущий доступный на вторичном. Они могут быть маленькими, в форм-факторе настенные бородавки , или большими и тяжелыми.
Некоторые источники питания переменного тока могут также включать в себя катушки индуктивности и конденсаторы для кондиционирования выходного сигнала путем удаления высокочастотных компонентов и гармоник, обнаруженных на первичной стороне.
Источники постоянного тока
Схема базового источника переменного и постоянного тока.
Адаптер переменного тока или "настенная бородавка".
На сегодняшний день широко используются два типа источников постоянного тока. Много лет назад батарея могла использоваться для подачи прямого тока в схему, но достижения в области электроники почти исключили эту возможность. Многие источники питания являются более простыми и дешевыми источниками питания с линейным напряжением , которые используют трансформатор, выпрямитель и фильтры для получения выходного сигнала постоянного тока.Существует два типа линейных источников питания: регулируемые и нерегулируемые. Дешевая настенная бородавка - это простой нерегулируемый источник питания. Если вы перегрузите один, он сгорит. Это не стоит ремонтировать.
Другой тип - это более дорогой SMPS или импульсный источник питания , который намного эффективнее линейного источника питания и меньше (обычно). Они обычно заняты в компьютерах. Их также можно назвать переключателями.
импульсный источник питания, как в настольном компьютере.Линейные и Импульсные Источники Питания
Почему разница?
- Коммутаторы могут быть на 80% меньше, чем эквивалентные линейные источники питания.
- Линейные поставки могут быть намного больше и громоздче
Эффективность - : эффективность коммутаторов может достигать 65% по сравнению с типичным линейным напряжением 25%.
- Коммутаторы преобразуют переменный ток напрямую, без необходимости в больших, тяжелых трансформаторах. Для коммутаторов
- требуется меньшая, более мощная электроника для регулирования напряжения с использованием обратной связи вместо больших регуляторов напряжения.
- Линейные источники питания не создают радиочастотных помех и невосприимчивы к электромагнитным помехам. Линейные источники питания
- намного проще в конструкции.
SELV Источники питания
Большинство источников питания, которые продаются потребителям, - это SELV, или S с защитой E xtra L или В . «S» также может означать «Отдельно».
Они разработаны с учетом требований безопасности и имеют строгие требования к конструкции, чтобы защитить пользователя от воздействия опасных напряжений и токов.
Выбор источника питания
При выборе источника питания всегда обращайтесь к документации производителя.
Вместимость
Емкость блока питания должна точно соответствовать потребностям вашего усилителя, то есть, если ваш усилитель может работать с 5 или 8 амперами, ваш источник питания должен обеспечивать минимальное количество энергии. Он может подавать больше, любой дополнительный ток останется неиспользованным, но не меньше.
Например, для обычного усилителя на пять ампер требуется минимум пять ампер.Для усилителя с восьмиамперным усилителем для весов O / G потребуется восемь или более. Следует отметить, что наличие большей текущей мощности, чем необходимо, не улучшит работу бустера или поезда. Но меньшее будет мешать обоим. Наличие большего тока не приведет к перегреву, но будет иметь большее напряжение.
- Если вы планируете эксплуатировать только два или три локомотива, будет достаточно меньшего блока питания. Не забудьте включить дополнительную емкость для надежной работы защиты от перегрузки по току и возможности временно использовать посторонние источники питания (другие поезда) на схеме.
Обычно усилитель будет потреблять только ток, необходимый для питания самого себя и нагрузки. Если ему нужен только один усилитель, это все, что он будет рисовать. Попытка получить больше тока, чем может выдержать источник питания, может привести к перегреву и повреждению источника питания или усилителя или вызвать срабатывание их защитной схемы.
При большем потреблении тока проложите более толстый провод для силовой шины. Легкая проводка, типичная для операций с классическими аналоговыми дросселями, вызывает значительные падения напряжения на длинных отрезках провода, что приводит к увеличению потребления тока.См. Страницу проводки трека для деталей.
Потенциальные проблемы
Вот список проблем, которые могут возникнуть при использовании неправильного напряжения или тока:
Текущий
- Слабый ток может ухудшить эксплуатационные характеристики
- Поезда начинают работать медленнее
- Свет не с правильной интенсивностью
- Дымовые / звуковые устройства могут работать не полностью
- Низкий ток может повлиять на защиту от перегрузки по току, предотвращая размыкание выключателя во время короткого замыкания.
Напряжение
- Низкое напряжение может стать причиной плохой работы поезда / локомотива.
- Низкое напряжение может повредить электронику, потребляя слишком большой ток, перегревая компоненты в процессе
- Высокое напряжение может привести к перегреву бустеров
- Может привести к отключению системы во время работы
- Может привести к преждевременному выходу из строя усилителя
Важно, чтобы выход блока питания соответствовал требованиям усилителя.Цель этой статьи - помочь вам выбрать правильный источник питания для вашей системы DCC.
Помните, усилитель требует только тока, сколько ему нужно. Если блок питания может обеспечить 6 ампер, это было бы хорошо для усилителя 5А. При подключении к усилителю на 8 А выходной сигнал будет ограничен величиной менее 6 А, поскольку некоторый ток потребляется усилителем. Для получения максимальной мощности от усилителя потребовался бы более мощный источник питания.
Требования к источнику питания
Усилителиимеют встроенную защиту от короткого замыкания.Для максимальной надежности блоку питания требуется столько тока, сколько рассчитано для усилителя, а также правильное напряжение. Например, для усилителя на три А требуется как минимум источник питания на три А. Если подаваемый ток слишком низкий, защита цепи может не работать.
Традиционные блоки питания предназначены для питания одного поезда, а не нескольких поездов, с которыми DCC может справиться. Как видите, нам нужно больше тока. Большинство блоков питания не указывают выходной ток, потому что он обычно низкий, и они хотят, чтобы вы думали, что вы получаете больше, чем на самом деле.Если бы вы проверили технические характеристики вашего блока питания, он, скорее всего, сказал бы что-то вроде 30 ВА. Это означает 30 вольт-ампер. Количество ВА определяется путем умножения напряжения на ток. Важно определить, означает ли этикетка нагрузку (энергию, потребляемую устройством) или выходную мощность блока питания.
Вт рассчитываются путем умножения напряжения на ток, который равен ВА или Вольт-ампер , с последующим умножением результата на коэффициент мощности .Коэффициент мощности определяется только при расчете переменного тока, в постоянном токе мощность равна ВА. В переменном токе мощность всегда меньше значения вольт-ампер.
Например, блок питания с выходом 30 ВА: если вы возьмете номинал 30 Вольт и поделите на напряжение, вы получите усилители. Если напряжение составляет 12 вольт, у вас будет 2,5 ампер тока.
Рекомендуемое напряжение дорожки DCC
| Стандартное напряжение дорожки DCC по шкале | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| DCCWiki.com | |||||
| Z | N | H0 | S | 0 | Большой масштаб |
| 10 - 12 | 12 - 14 | 14 - 16 | 20 - 22 | ||
Источник: Цифровое командное управление
- Примечание
- Эти напряжения основаны на том, на какую шкалу установлен усилитель, а не на какой шкале вы фактически работаете.У бустера нет возможности узнать, к какому треку колеи он подключен! Пользователь должен выбрать соответствующее напряжение для своего приложения.
Чтобы усилитель мог подавать эти напряжения, источник питания должен обеспечивать более высокое напряжение. Усилитель будет регулировать выход, и для того, чтобы это работало надежно, требуется более высокий вход. Проверьте в своих руководствах рекомендуемый тип блока питания и минимальное и максимальное требуемое напряжение. Некоторые устройства могут работать с переменным или постоянным током.
Если вы используете более низкое входное напряжение, вы заметите проблемы с производительностью ваших поездов. Если напряжение дорожки падает ниже примерно 10 вольт, то сигнал DCC на рельсах становится ненадежным. Кроме того, защита от короткого замыкания усилителя не будет работать без достаточного тока. Однако, если вы будете использовать более высокое напряжение, усилитель будет работать горячее, чем необходимо, возможно, сокращая срок его службы в процессе. Избыточное напряжение будет потеряно при нагревании, а тепло убивает электронику.
Следящие напряжения выше, чем показанные, значительно увеличат и сократят срок службы любых световых эффектов, которые вы могли установить.Как вы, наверное, уже поняли, чем выше напряжение, тем больше выделяется тепла - тем больше тепла может привести к преждевременному выходу из строя усилителя или декодера и / или тепловому отключению.
Понижение напряжения на дорожке не дает никаких преимуществ. Многие считают, что это лучше, но это только приводит к увеличению текущей ничьей. Что предъявляет дополнительные требования к усилителю и декодеру. Усилитель имеет преимущество в виде свободного воздуха для охлаждения, где нет декодера.
Преобразование из аналогового постоянного тока в режим DCC
Большинство производителей и поставщиков DCC предлагают использовать существующий «блок питания» постоянного тока для питания вашей новой системы DCC при начале работы.Хотя это действительно так, настоятельно рекомендуется получить источник питания, предназначенный для использования с системой DCC. Использование имеющегося источника питания может вызвать проблемы, такие как работа поезда и защита от короткого замыкания, в лучшем случае ненадежная. Это связано с недостаточным напряжением и / или током, из-за которых невозможно полностью включить усилитель. Импульсные силовые цепи также создают проблемы.
Если вы преобразуете существующую схему с питанием от постоянного тока в DCC, проверьте также проводку. Многие аналоговые системы управления не испытывали уровни тока, обнаруженные в DCC, потому что обычно один локомотив питался в одном блоке от небольшого источника питания.Несколько блоков распределяют требования по питанию для нескольких небольших блоков питания вместо одной комбинации центрального усилителя / блока питания, которая имеется в типовой конфигурации DCC. В результате аналоговые средства управления не имели и не требовали подключения с толстыми проводами, типичного для DCC.
См. Также
- Трек проводка - Подробная информация о проводке
- Booster - информация о бустерах, которые получают питание от источников питания.
- Command Station - блок, который создает цифровые сигналы.Многие системы теперь объединяют усилитель и командную станцию.
- Падение напряжения - почему проводка DCC отличается от аналоговой / DC проводки
- Основания - Обсуждение типов оснований.
Внешние ссылки
,По мере того, как компьютерные и сетевые системы становятся больше и быстрее, их токи питания продолжают расти, а их напряжения питания продолжают падать. Токи нагрузки достаточно высоки, чтобы разработчики источников питания использовали несколько модулей питания параллельно. Высокопроизводительные источники питания для оборудования обработки данных и связи также должны обеспечивать исключительную надежность и отказоустойчивость.Например, энергосистемы для критически важных систем обработки данных должны функционировать лучше, чем 99,999% времени. Чтобы удовлетворить потребности этих систем, решение по управлению питанием должно обеспечивать распределение нагрузки, отказоустойчивость и избыточность.
В этой статье представлено решение для управления питанием, которое предлагает все эти функции в относительно простой схеме, в которой используется контроллер LTC3729 PolyPhase ® и контроллер распределения нагрузки с возможностью горячей замены LTC4350.
Рисунок 1.Системная блок-схема блоков питания постоянного тока с распределением нагрузки и резервированием.
Многофазный контроллер LTC3729 в двухфазном режиме обеспечивает производительность и надежность, необходимые для низковольтных, сильноточных компьютерных и сетевых систем. Полифазная технология чередует тактовый сигнал нескольких параллельных каскадов питания, тем самым уменьшая входной и выходной пульсационный ток, поэтому требуется меньшая емкость. Снижение пульсаций тока значительно повышает надежность и срок службы входных и выходных конденсаторов.Точная схема измерения тока LTC3729 обеспечивает дополнительную надежность. Распределение тока между фазами отличное, что обеспечивает равномерное распределение тепла, что обеспечивает надежность силовых полупроводников и выходных индукторов. Другие расширенные функции LTC3729 включают в себя истинное дистанционное зондирование, встроенные сильноточные драйверы MOSFET, защиту от перенапряжения, ограничение тока спада и дополнительную защиту от перегрузки по току. Все это в совокупности обеспечивает надежное и высокопроизводительное низковольтное и мощное питание.
Для дальнейшего повышения надежности системы добавьте контроллер распределения нагрузки с возможностью горячей замены LTC4350 после LTC3729. LTC4350 позволяет параллельным источникам питания распределять нагрузку с отказоустойчивостью и избыточностью. Чтобы распределить нагрузку между резервными источниками питания, LTC4350 регулирует выходное напряжение каждого источника питания до тех пор, пока ток каждого источника не будет соответствовать значению, установленному общей шиной. LTC4350 также изолирует неисправные источники питания путем отключения полевых выходных МОП-транзисторов и выявляет неисправные источники питания в системе.Неисправный источник питания может быть удален и заменен новым без отключения питания системы.
LTC4350 повышает эффективность системы, позволяя использовать полевые МОП-транзисторы с низким значением R DS (ON) вместо диодов ORing.
LTC4350 - это универсальный контроллер распределения нагрузки, который работает с любыми контроллерами DC / DC, такими как LTC1628, LTC3728, LTC1629 и LTC1778.
На рисунках 2a и 2b показан выходной источник питания 3,3 В / 40 А с распределением нагрузки и резервированием.На рисунке 2а показана первая часть схемы: контроллер LTC3729 в двухфазном синхронизированном преобразователе постоянного тока в постоянный ток, который обеспечивает выход 3,3 В / 40 А с шины 5–12 В. Для преобразователя требуется только одна микросхема, восемь крошечных полевых МОП-транзисторов размера SO-8 и два низкопрофильных индуктора поверхностного монтажа 1 мкГн. КПД составляет 91–93% во всем диапазоне входного напряжения с выходом 3,3 В / 40 А. На рис. 3 показана эффективность питания в широком диапазоне нагрузок от 2 до 40 А.
Рисунок 2а. Преобразователь постоянного тока в постоянный блок с распределением нагрузки.
Рисунок 2b. Распределение нагрузки и горячая замена части блока питания.
Рисунок 3. Измеренная эффективность цепи LTC3729.
На рисунке 2b показана схема распределения нагрузки LTC4350 и схема горячей замены. Ток нагрузки каждого источника определяется напряжением шины. Для каждого канала I OUT вывод LTC4350 подключен к резистору обратной связи по напряжению R10 LTC3729. Следовательно, локальное выходное напряжение V OUT LTC3729 можно регулировать до тех пор, пока ток каждого источника не будет соответствовать значению, установленному шиной общего доступа.LTC4350 контролирует локальное выходное напряжение V OUT каждого источника питания на выводах UV (пониженное напряжение) и OV (повышенное напряжение). Таким образом LTC4350 обнаруживает неисправности низкого, высокого и разомкнутого контура, который отключает последовательный выход MOSFET для изоляции неисправных источников питания. LTC4350 также выдает сигнал с открытым стоком, чтобы сообщить о локальном сбое в систему через вывод STATUS. В этой конструкции для упрощения схемы в каждом модуле используются односторонние МОП-транзисторы, поскольку LTC3729 также имеет функции защиты от перенапряжения на выходе и короткого замыкания.
На рисунке 4 показаны формы импульсов тока нагрузки двух параллельных источников питания с распределением нагрузки. Форма сигнала показывает, что оба источника имеют хорошее распределение тока от без нагрузки до тяжелой нагрузки, 40А. На рисунке 5 показаны формы сигналов горячей замены двух параллельных модулей с общим выходным током 40 А. Время установления для переходных процессов нагрузки и токов нагрузки с «горячей» заменой можно регулировать с помощью компенсационных резисторов и конденсаторов на контактах COMP1 и COMP2 LTC4350. Смотрите лист данных LTC4350 для деталей.
Рисунок 4. Импульсный ток нагрузки двух параллельных блоков питания LTC3729 с LTC4350.
Рисунок 5а. Обмен в модуле 2.
Рисунок 5b. Замена модуля 2.
Рисунок 5. Форма сигнала горячей замены двух параллельных источников питания LTC3729 с LTC4350.
На рисунке 6 показана простая и надежная система резервного питания с тремя выходами. В этом примере три многофазных контроллера LTC3728 (аналогичных LTC3729, но с двумя выходами) с двумя выходами обеспечивают управление напряжением, а шесть LTC4350 обеспечивают горячее переключение распределения нагрузки.Каждый LTC3728 регулирует два выхода, которые переключаются на 180 градусов по фазе, чтобы минимизировать количество входных конденсаторов.
Рисунок 6. Структурная схема резервной системы с несколькими выходами напряжения.
Полифазный контроллер токового режима LTC3729 и двойной выход LTC3728 обеспечивают высокую производительность, минимизируют количество компонентов и повышают надежность низковольтных и сильноточных источников питания. Эти детали в сочетании с контроллером распределения нагрузки LTC4350 с возможностью «горячей» замены создают простые в разработке отказоустойчивые резервные системы электропитания, которые подходят для критически важных приложений.
,
[C] совсем недавно собрал RepRap. Не желая тратить деньги на выделенный блок питания, он искал более дешевое решение и нашел его в готовом блоке питания ATX. Эти блоки питания ATX на самом деле немного придирчивы, когда не используются в компьютере, как обнаружил [C], с падением напряжения на линии +12, даже когда нагрузка подключена к источнику питания. В конечном счете, [C] решил эту проблему, обрезав некоторые следы и заземлив несколько контактов в цепи защиты.
Используемый источник питания ATX [C] может выдавать 25 ампер на 12-вольтовой шине, более чем достаточно для простого RepRap. Была только одна проблема: источник беспорядочно отключался, разрушая отпечаток. Немного погуглив, [C] обнаружил, что некоторые люди запитывают 12-вольтные усилители, которые сталкиваются с той же проблемой. Их решение состояло в том, чтобы заземлить несколько контактов в цепи защиты. Их предложение было не совсем похоже на [C], поэтому ему пришлось немного поэкспериментировать.
Чтобы получить правильные результаты, потребовалось несколько итераций, но [C] удалось выяснить, какие именно контакты на ИС «блока питания» должны быть заземлены для отключения защиты от пониженного напряжения.С этими заземленными контактами схема защиты источника питания полностью отключена, что дает ему и бесперебойное питание 25 А при напряжении 12 вольт. Если вы ищете дешевый источник энергии, было бы трудно ошибиться с руководством [C] и его выбором источника питания.
,Похожие записи
