Что такое импульсный блок питания. Импульсный блок питания: принцип работы, особенности и применение

Что такое импульсный блок питания. Как работает импульсный блок питания. Чем отличается от обычного трансформаторного блока питания. Какие преимущества и недостатки у импульсных блоков питания. Где применяются импульсные блоки питания.

Что такое импульсный блок питания и как он работает

Импульсный блок питания (ИБП) — это устройство для преобразования электрического тока, работающее на основе высокочастотного преобразования напряжения. В отличие от обычных трансформаторных блоков питания, ИБП сначала выпрямляет входное переменное напряжение, а затем преобразует его в импульсы высокой частоты.

Основные этапы работы импульсного блока питания:

1. Входное переменное напряжение выпрямляется
2. Выпрямленное напряжение преобразуется в высокочастотные импульсы (десятки-сотни кГц)
3. Импульсы подаются на высокочастотный трансформатор
4. Напряжение с трансформатора выпрямляется
5. Выходное напряжение стабилизируется

Ключевой элемент ИБП — высокочастотный трансформатор на ферритовом сердечнике. Он позволяет существенно уменьшить габариты и вес устройства по сравнению с обычными трансформаторными блоками.

Преимущества импульсных блоков питания

Импульсные блоки питания обладают рядом важных преимуществ по сравнению с трансформаторными:

• Высокий КПД (до 90-95%)
• Малые габариты и вес
• Широкий диапазон входных напряжений
• Высокая удельная мощность
• Хорошая стабилизация выходного напряжения
• Защита от короткого замыкания и перегрузки

Благодаря этим достоинствам импульсные блоки питания получили очень широкое распространение в современной электронике.

Недостатки импульсных блоков питания

У импульсных блоков питания есть и определенные недостатки:

• Создают электромагнитные помехи
• Более сложная схемотехника
• Чувствительность к перегрузкам
• Сложность ремонта
• Необходимость специальных компонентов

Однако в большинстве применений преимущества ИБП перевешивают их недостатки. Поэтому они практически повсеместно вытеснили трансформаторные блоки питания.

Сравнение импульсных и трансформаторных блоков питания

Чтобы лучше понять особенности импульсных блоков питания, сравним их с традиционными трансформаторными:

Характеристика	Импульсный БП	Трансформаторный БП
КПД	80-95%	50-60%
Габариты	Малые	Большие
Вес	Малый	Большой
Электромагнитные помехи	Есть	Минимальны
Стоимость	Выше	Ниже

Как видим, импульсные блоки питания превосходят трансформаторные по большинству ключевых параметров.

Области применения импульсных блоков питания

Благодаря своим преимуществам, импульсные блоки питания нашли широчайшее применение в самых разных областях:

• Компьютерная техника (блоки питания ПК, ноутбуков)
• Бытовая электроника (телевизоры, аудиосистемы)
• Зарядные устройства (для смартфонов, планшетов)
• Промышленное оборудование
• Светодиодные источники освещения
• Телекоммуникационное оборудование
• Автомобильная электроника

По сути, импульсные блоки питания сегодня используются практически во всех электронных устройствах мощностью более 10 Вт.

Разновидности импульсных блоков питания

Существует несколько основных типов импульсных блоков питания, различающихся схемотехникой:

• Обратноходовые (Flyback)
• Прямоходовые (Forward)
• Полумостовые (Half-bridge)
• Мостовые (Full-bridge)
• Резонансные

Выбор конкретной топологии зависит от требуемой мощности, входного напряжения, количества выходных напряжений и других факторов. Наиболее распространены обратноходовые преобразователи для маломощных применений и мостовые — для мощных.

Как выбрать импульсный блок питания

При выборе импульсного блока питания следует учитывать следующие ключевые параметры:

1. Выходное напряжение и ток
2. Входное напряжение
3. КПД
4. Уровень пульсаций выходного напряжения
5. Наличие защит (от КЗ, перегрузки, перегрева)
6. Уровень электромагнитных помех
7. Габариты и способ монтажа

Важно правильно рассчитать необходимую мощность с запасом 20-30%. Для ответственных применений рекомендуется выбирать блоки питания известных производителей с хорошей репутацией.

Перспективы развития импульсных блоков питания

Технологии импульсных блоков питания продолжают совершенствоваться. Основные тенденции развития:

• Повышение КПД (до 98% и выше)
• Уменьшение габаритов и веса
• Снижение уровня электромагнитных помех
• Повышение удельной мощности
• Интеграция интеллектуальных функций управления

В будущем ожидается еще более широкое распространение импульсных преобразователей, в том числе на основе широкозонных полупроводников (GaN, SiC). Это позволит создавать еще более эффективные и компактные источники питания.

Импульсные блоки питания.Виды и работа.Особенности и применение

Практически в каждом электронном приборе есть блок питания – важный элемент монтажной схемы. Блоки применяются в устройствах, требующих пониженного питания. Базовой задачей блока питания считается уменьшение сетевого напряжения. Первые импульсные блоки питания сконструированы после изобретения катушки, которая работала с переменным током.

Применение трансформаторов дало толчок развития блоков питания. После выпрямителя тока осуществляется выравнивание напряжения. В блоках с преобразователем частоты этот процесс проходит по-другому.

В импульсном блоке основу составляет инверторная система. После выпрямления напряжения образуются прямоугольные импульсы с высокой частотой, подаются на фильтр выхода низкой частоты. Импульсные блоки питания преобразовывают напряжение, отдают мощность на нагрузку.

Рассеивание энергии от импульсного блока не происходит. От линейного источника идет рассеивание на полупроводниках (транзисторах). Его компактность и малый вес также дает превосходство над трансформаторными блоками при одинаковой мощности, поэтому часто линейные блоки заменяют импульсными.

Принцип действия

Работа ИБП простой конструкции следующая. Если входной ток является переменным, как в большинстве бытовых приборах, то сначала происходит преобразование напряжения в постоянное. Некоторые конструкции блоков имеют переключатели, удваивающие напряжение. Это делается для того, чтобы подключаться к сети с разным номиналом напряжения, например, 115 и 230 вольт.

Выпрямитель выравнивает переменное напряжение и на выходе отдает постоянный ток, который поступает в фильтр конденсаторов. Ток от выпрямителя выходит в виде малых импульсов высокой частоты. Сигналы обладают высокой энергией, за счет которой снижается коэффициент мощности трансформатора импульсов. Благодаря этому габариты импульсного блока небольшие.

Чтобы скорректировать уменьшение мощности в новых блоках питания применяют схему, в которой ток на входе получается в виде синуса. По такой схеме смонтированы блоки в компьютерах, видеокамерах и других устройствах. Импульсный блок работает от постоянного напряжения, проходящего через блок, не изменяясь. Такой блок называют обратноходовым. Если он служит для 115 В, для работы на постоянном напряжении необходимо уже 163 вольта, это рассчитывается как (115 × √2).

Для выпрямителя такая схема вредна, так как половина диодов не используется в работе, это вызывает перегрев рабочей части выпрямителя. Долговечность в этом случае снижается.

После выпрямления напряжения сети в действие вступает инвертор, который преобразовывает ток. Пройдя через коммутатор, имеющий большую энергию выхода, из постоянного получается переменный ток. С обмоткой трансформатора в несколько десятков витков и частотой сотни герц блок питания работает в качестве усилителя низкой частоты, она получается больше 20 кГц, она не доступна слуху человека. Коммутатор изготовлен на транзисторах с многоступенчатым сигналом. Такие транзисторы имеют низкое сопротивление, высокую возможность прохода токов.

Схема работы ИБП

В сетевых блоках вход и выход изолируют между собой, в импульсных блоках ток применяется для первичной обмотки высокой частоты. На вторичной обмотке трансформатор создает нужное напряжение.

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:

• Быстрое восстановление, что дает возможность иметь малые потери.
• Малое падение напряжения. Для снижения напряжения выхода применяют транзистор, в нем выпрямляется основная часть напряжения.

Далее напряжение сглаживается фильтром, в него входят конденсатор, дроссель. Для частот коммутации выше требуются составляющие с малой индуктивностью и емкостью.

Схема импульсного блока минимального размера

В простой схеме ИБП вместо трансформатора применен дроссель. Это преобразователи для понижения или повышения напряжения, относятся к самому простому классу, применяется один переключатель и дроссель.

Некоторые виды ИБП

• Простой ИБП на IR2153, распространен в России.
• Импульсные блоки питания на TL494.
• Импульсные блоки питания на UC3842.
• Гибридного типа, из энергосберегающей лампы.
• Для усилителя с повышенными данными.
• Из электронного балласта.
• Регулируемый ИБП, механическое устройство.
• Для УМЗЧ, узкоспециализированный блок питания.
• Мощный ИБП, имеет высокие характеристики.
• На 200 В – на напряжение не более 220 вольт.
• Сетевой ИБП на 150 ватт, только для сети.
• Для 12 В – нормально работает при 12 вольтах.
• Для 24 В – работает только на 24 вольта.
• Мостовой – применена мостовая схема.
• Для усилителя на лампах – характеристики для ламп.
• Для светодиодов – высокая чувствительность.
• Двухполярный ИБП, отличается качеством.
• Обратноходовый, имеет повышенные напряжение и мощность.

Особенности

Простой ИБП может состоять из трансформаторов малых размеров, так как при повышении частоты эффективность трансформатора выше, требования к размерам сердечника меньше. Такой сердечник изготовлен из ферромагнитных сплавов, а для низкой частоты используется сталь.

Напряжение в блоке питания стабилизируется путем обратной связи отрицательной величины. Осуществляется поддержка напряжения выхода на одном уровне, не зависит от нагрузки и входных колебаний. Обратная связь создается разными методами. Если в блоке есть гальваническая развязка от сети, то применяется связь одной обмотки трансформатора на выходе или с помощью оптрона. Если развязка не нужна, то используют простой резистивный делитель. За счет этого напряжение выхода стабилизируется.

Особенности лабораторных блоков

Принцип действия осуществлен на активном преобразовании напряжения. Для удаления помех ставят фильтры в конце и начале цепи. Насыщение транзисторов положительно отражается на диодах, имеется регулировка напряжения. Встроенная защита блокирует короткие замыкания. Кабели питания применены немодульной серии, мощность достигает 500 ватт.

В корпусе установлен вентилятор охлаждения, скорость вентилятора регулируется. Наибольшая нагрузка блока составляет 23 ампера, сопротивление 3 Ом, наибольшая частота 5 герц.

Применение импульсных блоков

Сфера их использования постоянно растет как в быту, так и в промышленном производстве.

Импульсные блоки питания применяются в источниках бесперебойного питания, усилителях, приемниках, телевизорах, зарядных устройствах, для низковольтных линий освещения, компьютерной, медицинской технике и других различных приборах, и устройствах широкого назначения.

Достоинства и недостатки

ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:

• Небольшой вес.
• Увеличенный КПД.
• Небольшая стоимость.
• Интервал напряжения питания шире.
• Встроенные защитные блокировки.

Уменьшенная масса и размеры связано с применением элементов с радиаторами охлаждения линейного режима, импульсного регулирования вместо тяжелых трансформаторов. Емкость конденсаторов уменьшена за счет увеличения частоты. Схема выпрямления стала проще, самая простая схема – однополупериодная.

У трансформаторов низкой частоты теряется много энергии, рассеивается тепло во время преобразований. В ИБП максимальные потери возникают при переходных процессах коммутации. В другое время транзисторы устойчивы, они закрыты или открыты. Созданы условия для сохранения энергии, КПД достигает 98%.

Стоимость ИБП снижена из-за унификации элементов широкого ассортимента на роботизированных предприятиях. Силовые элементы из управляемых ключей состоят из полупроводников меньшей мощности.

Технологии импульсов дают возможность применять сеть питания с разной частотой, что расширяет применение блоков питания в различных сетях энергии. Модули на полупроводниках с небольшими габаритами с цифровой технологией имеют защиты от короткого замыкания и других аварий.

Недостатки

Импульсные блоки питания функционируют с помощью преобразования импульсов высокой частоты, создают помехи, уходящие в окружающую среду. Возникает необходимость подавления и борьбы с помехами разными методами. Иногда подавление помех не дает эффекта, и применение импульсных блоков становится невозможным для некоторых типов устройств.

Импульсные блоки питания не рекомендуется подключать как с низкой нагрузкой, так и с высокой. Если на выходе резко упадет ток ниже установленного предела, то запуск может оказаться невозможным, а питание будет с искажениями данных, которые не подходят к диапазону работ.

Похожие темы:

Чем отличается импульсный блок питания от обычного: особенности и отличия

Обновлено: 23.04.2021 12:51:21

Подавляющее большинство современной электроники работает на постоянном токе с малыми значениями силы и напряжения. Например, роутеры потребляют 12 вольт и 5 ампер, а смартфоны в большинстве случаев – 5 вольт и 2 ампера. Вот только в бытовой сети распространяется совершенно другой ток – переменный, с частотой 60 Гц, напряжением 220 вольт и (обычно) силой до 6 ампер.

Соответственно, для использования электронных приборов в бытовой сети этот ток надо как-то преобразовать. Для этих целей и используются блоки питания. Их задача – трансформация тока для придания ему определённых параметров напряжения, силы, а также частоты (превращения переменного в постоянный).

И если требуется выбрать подходящий блок питания либо соорудить самостоятельно, то чаще всего можно встретить два варианта – обычный, он же трансформаторный, и импульсный. И в чём разница, кроме конструкционной сложности, не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы разберёмся, чем отличается импульсный блок питания от обычного, рассмотрим их особенности и отличия.

Обычные блоки питания (трансформаторного типа)

Трансформаторные блоки питания – одни из первых устройств для преобразования электричества. Они относятся к аналоговому типу, отличаются конструкционной простотой и сравнительно высокой надёжностью. Впрочем, и существенные недостатки вроде слишком крупных габаритов у них также имеются.

Основной функциональный элемент таких БП – трансформатор. Он состоит из двух индукционных катушек. На первую подаётся электричество из бытовой 220-вольтовой сети и создаёт электромагнитное поле. Оно, в свою очередь, наводит индукцию и создаёт электродвижущую силу на второй. Таким образом достигается понижение напряжения.

В дальнейшем электрический ток, созданный на понижающей катушке, передаётся на выпрямляющее устройство. Как правило, оно состоит из нескольких силовых диодов, включённых по схеме моста. Для сглаживания пульсирующего напряжения используется конденсатор, подключённый параллельно диодному мосту, а затем силовые транзисторы его стабилизируют.

В итоге на выходе формируется постоянный ток заданного напряжения и силы. Для регулирования параметров его работы используются специальные резисторы подстройки, включаемые в схему стабилизации.

Обычные БП (трансформаторного типа) характеризуются максимальной конструкционной простотой. В принципиальной схеме элементарного устройства – всего три детали: система катушек, диодный мост и конденсатор.

Ключевые достоинства обычных блоков питания:

1. Простота сборки и конструирования. БП необходимой мощности можно собрать самостоятельно – достаточно лишь понимать принцип работы и точно осознавать, для каких целей планируется использовать аппарат;

2. Высокая надёжность и долговечность. При правильной эксплуатации срок работы аппаратов практически не ограничен. Так, сегодня ещё можно найти функционирующие модели, выпущенные более нескольких десятилетий назад;

3. Доступность комплектующих. Все необходимые детали можно приобрести на радиорынках, у радиолюбителей и в специальных магазинах, заказывать какие-то определённые микросхемы из-за рубежа не требуется;

4. Не создают паразитные радиоволновые токи. Благодаря этому помехи в питающей сети или в конечных потребителях практически не наблюдаются.

Ключевые недостатки обычных блоков питания:

1. Низкий КПД. При передаче электричества трансформаторным способом огромная часть мощности просто теряется. Кроме того, из-за использования стабилизатора на выходе для получения стабильных параметров работы часть КПД дополнительно теряется;

2. Крупногабаритные. Причём чем мощнее БП – тем больше его вес и размеры. Как следствие, высокомощные и вовсе могут быть маломобильными;

3. Создают значительное электромагнитное поле. Тем самым они могут образовывать наводки в других линиях передачи сигнала – например, коаксиальных кабелях или «витой паре».

Все эти недостатки оказываются настолько критическими, что сегодня обычные БП в быту практически не используются. Вместо этого применяются импульсные.

Импульсные блоки питания

Импульсные блоки питания имеют сложную конструкцию и являются устройствами инверторного типа. Их ключевое отличие от обычных заключается в том, что входное напряжение подаётся сразу на выпрямитель. Затем оно формирует импульсы определённой частоты. За это отвечает отдельная подсистема управления, так что импульсные БП являются полноценными цифровыми устройствами.

Поскольку импульсные БП отличаются конструкционной и принципиальной сложностью, рассматривать схему их работы в рамках этой статьи не целесообразно. и

1. Ток из сети поступает на сетевой фильтр, минимизирующий входящие и исходящие искажения;

2. Преобразователь трансформирует синусоиду переменного тока в импульсный постоянный ток;

3. Инвертор, контролируемый через модуль управления, формирует из импульсного постоянного тока прямоугольные высокочастотные сигналы;

4. Ток поступает на импульсный трансформатор, который подаёт напряжение на различные элементы самого БП, а также на нагрузку;

5. После этого ток поступает на выходной выпрямитель, а затем сглаживается на выходном фильтре.

Такая система обеспечивает не только высокий коэффициент полезного действия, но и малые размеры устройства. Причём чем выше частота импульсов – тем компактнее БП за счёт уменьшения габаритов трансформатора.

Ключевые достоинства импульсных блоков питания:

1. Высокий КПД, составляющий, как правило, около 98%. Небольшие потери создаются их-за переходных процессов, возникающих при переключении ключа. Но они слишком незначительны, чтобы брать их в расчёт;

2. Компактные размеры и малый вес. Это достигается за счёт того, что импульсным БП не требуется массивный трансформатор.

Ключевые недостатки импульсных блоков питания:

1. Конструкционная сложность. Собрать такое устройство в домашних условиях без знаний в области электроники или электротехники практически невозможно;

2. Заметный нагрев при работе. Поэтому высокомощные импульсные БП оснащаются дополнительными системами охлаждения, которые приводят к увеличению размера и массы устройства;

3. Наличие высокочастотных помех. Как следствие, для использования в чувствительной аппаратуре такие блоки питания оснащаются фильтром помех, но и он не даёт 100% защиты от такого «мусорного сигнала»;

4. Мощность нагрузки должна входить в номинальный диапазон. При превышении или понижении её будут наблюдаться изменения выходного напряжения. Как правило, производители предусматривают это явление и устанавливают защиту от подобных нештатных ситуаций.

Компактные размеры и высокое значение КПД помогли импульсным БП распространиться максимально широко. Сегодня они применяются в зарядных устройствах мобильной электроники, компьютерной и бытовой техники, а также в системах электронного балласта осветительных приборов.

Сравнение импульсного и обычного блоков питания

Сравним эти два типа устройств, определив, какие лучше использовать в той или иной ситуации.

Тип блока питания	Обычный (трансформаторный)	Импульсный
Принцип работы	Напряжение сначала понижается, а затем выравнивается	Напряжение сначала преобразуется, а затем понижается
Использование	Некоторые высокоточные и чувствительные к ВЧ-помехам устройства	Практически повсеместно
Коэффициент полезного действия	Небольшой, особенно с учётом потерь на стабилизаторе	Как правило, 98%
Габариты	Как правило, крупные	Как правило, малые
Высокочастотные помехи в выходном токе	Нет	Могут быть
Требование максимальной и минимальной мощностей нагрузки	Нет	Да

При прочих равных предпочтительнее использовать импульсные БП. Они обеспечивают больший КПД, а ещё весят от нескольких десятков граммов. Но в некоторых высокоточных, прецизионных устройствах лучше применять обычные (трансформаторные) модели, поскольку они не засоряют выходной сигнал помехами.

Оцените статью
	Всего голосов: 1, рейтинг: 5

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

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

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы — ферритовые сердечники.

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

• малый вес конструкции;
• небольшие размеры;
• большая мощность;
• высокий КПД;
• низкая себестоимость;
• высокая стабильность работы;
• широкий диапазон питающих напряжений;
• множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

Импульсные источники питания стали фактически непре­менным атрибутом любой современной бытовой техники, потреб­ляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, приме­няются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные тран­зисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе вы­ходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходно­го напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных ис­точниках питания используют вьюоковольтные транзисторы, ко­торые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в от­крытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне мо­делей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы поя­вилась достойная замена биполярным транзисторам, традицион­но используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисто­ры отечественного, и, главным образом, зарубежного производ­ства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ши­рины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис.1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран гене­ратор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необхо­димости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компарато­ры напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через форми­рующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, СЗ, VD5) пода­ются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответ­ственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ достигнет по­рога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соот­ветственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой меж­ду импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов ис­пользуется в схеме импульсного источника питания.

Плавное ре­гулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компарато­ров (конденсаторы С2, СЗ) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных им­пульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и кон­денсаторами Са, Сb. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного де­лителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — поле­вой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулиро­вать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым вы­ходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпря­мителей сетевого напряжения, задающего генератора, формиро­вателя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DDI .1, DDI .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микро­схеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка дли­тельности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импуль­сов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт. Предва­рительный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выхо­де источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 {КС182+КС139) закрыты, транзистор VT5 закрыт, транзи­стор VT6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1.1) оптрона минимально.

Сигнал, снимаемый с выхода элемен­та DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 на­прямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2).

На выходе этого элемента формируются широкие управ­ляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источни­ка питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происхо­дит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна.2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне измене­ния сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (ста­билизированное напряжение положительной и отрицательной по­лярности 12 S и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые,со вторичной обмотки транс­форматора Т3). Напряжение пульсаций на выходе источника пи­тания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с вы­ходным каскадом на время налаживания устройства рекоменду­ется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания

Сетевой импульсный источник питания (рис. 3) разрабо­тан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5Вт, питаемых напряжением 5…24В.

Источник питания защищен от короткого замыкания на вы­ходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагруз­ки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресспермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 со­держат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каж­дая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм.

Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1.

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Его обмотки наматывают на разборном каркасе ви­ток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой нама­тывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм. Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 3 показана пунктирной лини­ей), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани.

Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе на­грузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания посто­янного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напря­жения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхе­му DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, СЗ и R4, С4 задают частоту генерато­ра. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полуперио­дов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напря­жения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрям­ленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее на­пряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17). Конденсаторы умно­жителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна за­мена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10кB или выше.

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансфор­матора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, ос­тальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Об­мотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, кото­рый подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Корректор коэффициента мощ­ности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощ­ности (рис. 5), собрано на основе специализированной микро­схемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагруз­кой, к синусоидальной.

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микро­схеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя час­тота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Импульсный источник питания с микросхемой

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Po­wer Integration показана на рис. 6. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А.

Пре­образователь обеспечивает гальваническую развязку выходного напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номина­лах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, по­требляющую 20 Вт при напряжении 24 В. КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 Гц. Устрой­ство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Тип микросхемы	Рmax, Вт	Ток срабатывания защиты, А	Сопротивление открытого тран­зистора, Ом
TOP221Y	7	0,25	31,2
T0P222Y	15	0,5	15,6
T0P223Y	30	1	7,8
T0P224Y	45	1,5	5,2
T0P225Y	60	2	3,9
T0P226Y	75	2,5	3,1
T0P227Y	90	3	2,6

Простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффек­тивный преобразователь напряжения (рис. 7) с выходной мощ­ностью до 100 Вт.

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразо­ватель U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрями­тели и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катуш­ки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечни­ки типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000.

Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все об­мотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

Источник: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.

Импульсный блок питания из сгоревшей лампочки

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

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

 

Оглавление статьи.

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

    

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

 

Вступление.

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

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

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

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

 

Вернуться наверх к меню

 

Отличие схемы КЛЛ от импульсного БП.

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

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

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

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

 

Вернуться наверх к меню

 

Какой мощности блок питания можно изготовить из КЛЛ?

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

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

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

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

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

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

Вернуться наверх к меню

 

Импульсный трансформатор для блока питания.

 

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

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

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

Вернуться наверх к меню

 

Ёмкость входного фильтра и пульсации напряжения.

 

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

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

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

 

Вернуться наверх к меню

 

Блок питания мощностью 20 Ватт.

 

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

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

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

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

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

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

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

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

На картинке действующая модель БП.

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

 

Вернуться наверх к меню

 

Блок питания мощностью 100 Ватт.

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

 

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

 

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

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

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

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

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

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

На чертеже изображено соединение транзистора с радиатором охлаждения в разрезе.

 

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

А это действующий стоваттный импульсный блок питания.

 

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

 

Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.

Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.

Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.

Температура транзисторов – 75ºC.

Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².

Температура дросселя TV1 – 45ºC.

TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)

Вернуться наверх к меню

 

Выпрямитель.

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

 

Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.

 

1. Мостовая схема.

2. Схема с нулевой точкой.

 

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

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

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

 

Пример.

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

 

100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)

 

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

 

100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).

 

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

 

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

 

Вернуться наверх к меню

 

Как правильно подключить импульсный блок питания к сети?

 

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

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

 

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

 

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

 

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

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

 

Будьте осторожны, берегитесь ожога!

 

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

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

Вернуться наверх к меню

 

Как наладить импульсный блок питания?

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

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

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

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

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

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

Вернуться наверх к меню

 

Каково назначение элементов схемы импульсного блока питания?

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

VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.

L0, C0 – фильтр питания.

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

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

R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.

R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.

R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.

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

VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.

TV1 – трансформатор обратной связи.

L5 – балластный дроссель.

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

TV2 – импульсный трансформатор.

VD14, VD15 – импульсные диоды.

C9, C10 – конденсаторы фильтра.

Вернуться наверх к меню

 

Источник http://oldoctober.com/

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования. p>

Трансформаторные блоки питания

Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра. Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.

Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Достоинства трансформаторных блоков питания

● Простота в конструировании
● Высокая надежность
● Доступность составляющих компонентов
● Отсутствие паразитных радио-волновых помех (Отличия блоков питания от импульсных блоков питания, которые создают помехи в виде напряжений и токов синусоидальной формы, которые во много раз выше частоты электросети)
● Имеющиеся недостатки трансформаторных блоков питания
● Солидный вес и размеры, особенно высокомощные
● Для изготовления требуется много железа
● Компромиссное решение относительно уменьшения КПД и высокой стабильностью напряжения на выходе: для получения стабильного напряжения необходим стабилизатор, с применением которого появляются дополнительные потери.

Импульсные блоки питания

Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот.

[adsens]

В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы — это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока. Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.

Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки. Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном.

С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Достоинства импульсных блоков питания

● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:
● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.
● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.

Выбираем импульсный блок питания! — Кабели, питание, стойки…

Импульсные блоки питания делимся впечатлениями!

Достоинства импульсных блоков питания.

1. Меньший вес. Также достигается использованием (мы уже упоминали выше) малогабаритных трансформаторов, при той же передаваемой мощности. Использованием конденсаторов меньшей ёмкости, что тоже уменьшает габариты выходного фильтра напряжения. Повышенная частота преобразования этому как раз способствует. Потом, конструктивно его можно выполнить по более простой однополупериодной схеме и при этом не переживать, что увеличатся пульсации выходного напряжения.

2. Более высокий КПД (до 98%). Ответ прост — малые потери. Обусловлено это наличием в схемотехнике высокочастотного элемента вместо сетевого трансформатора, и ключевого элемента вместо стабилизатора. А так как основную часть времени ключевые элементы находятся в стабильном состоянии, т.е. либо включены, либо выключены, то потери, происходящие в основном при переходных процессах, сведены к минимуму.

3. Меньшая цена. И это при сопоставимой передаваемой мощности и надёжности альтернативных устройств. Дешевле стоит силовая часть устройства, за счёт унификации элементной базы, разработке ключевых транзисторов высокой мощности и ещё из-за того, что в трансформаторные БП входят дорогостоящие металлы и в больших объёмах.

4. Широкий диапазон питающего напряжения и частоты. Просто не сопоставимый с линейным трансформатором в той же ценовой категории! На деле это даёт большую универсальность в применении в разных местах, где есть большие отличия по напряжению и частоте в стандартных розетках.

5. Надёжность. Её обеспечивают встроенные цепи защиты от различных «вредных» ситуаций. Это и перегрузки, и короткое замыкание, и различные скачки напряжения. Также если произошла переполюсовка выходных цепей. Потом, импульсные БП меньше греются, что уменьшает вероятность перегревания прибора.

Импульсный блок питания — ROZETKA

В настоящее время импульсные блоки питания стали особенно популярны из-за потребности покупателей в менее дорогих ресурсах энергии и введения 12W линии. Большое количество устройств подключаются к сети через приборы энергоснабжения, встроенные или внешние, которые служат для стабилизации тока, его частотного преобразования и понижения напряжения. Лидерами продаж и сейчас на рынке источников питания являются электроимпульсные блоки. Главным их достоинством перед силовыми трансформаторными — высокое КПД и снижения расхода в режиме без нагрузки.

Назначение и особенности импульсных блоков питания

Главная задача этих установок — передача тока к устройству, а также его преобразование из переменного в постоянный. Аппараты с регуляторами напряжения или предохранителями формируют импульсы, понижают напряжение в сети и защищают тем самым аппараты от их скачков и перегрузок.

12W модули в настоящий момент имеют в себе выпрямители и стабилизаторы напряжения на транзисторной схеме, что дает возможность принимать 12 Вольт на выбранном устройстве энергоснабжения независимо от его загруженности. К примеру, если ваш выбор пал на стабилизированный импульсный блок 12W с мощностью 2А и подключении его к камере внешнего наблюдения с общим расходом тока 1.7А, данный механизм при измерении представит пользователю те же 12W с незначительной разницей.

Разновидности

Разделяют классические трансформаторные аппараты и современные импульсные в зависимости от элементной схемы, представленной внутри. Классические используют зачастую в промышленных агрегатах (щитовых и др.), а современные — для использования в быту и полупромышленных установках. Последние же делаться на 12 и 24 вольтные. Представленные двадцативольтные генераторы энергии с корпусом из металла имеют особую популярность в промышленности из-за удобства установки. Так же в определенных моделях данных установок с металлическим корпусом встроена разводка на небольшое количество линий специально для камер видеонаблюдения. Беря во внимание то, что камеры  обычно используют не более 0,8А, максимальная нагрузка на линию выделена до 1,1А.

Перфорированный механизм 12W пользуется популярностью у потребителей из-за простоты монтажа и отсутствия необходимости в покупке разветвителя. С помощью клемного способа крепления кабеля, перфорированные импульсные блоки питания более востребованные, чем стандартные в пластике.

Электроимпульсные устройства в пластиковом корпусе — это основное защищающие от пыли решение для любых задач с выходом Power. Они идеально подходят при соединении их с одиночным оборудованием. При помощи нескольких веток для энергоснабжения камер видеонаблюдения, более сильные источники электроэнергии 12Вольт, к примеру, такие как 3А или 5А могут быть использованы. Иногда этот способ даже надёжнее, так как ИБП в пластике оснащены базовой защитой и защитой от пыли (класс — IP50), тогда как перфорированные приборы имеют степень защищенности либо ниже, либо вообще без нее — IP00.

Импульсные генераторы 24W — незаменимы. По тому, что по стандарту они способны подключит большее количество устройств, для чего и предназначены данные установки. Существуют так же особенные аппараты 24W с преобразованием в POE. 

Это особая группа ИБП для оборудования сети— POE, принцип работы которых заключается в передаче и энергии, и информации с помощи одного и того же кабеля передачи данных.  Как правило, такой кабель — это витая пара. Важно учитывать, что представленные источники чувствительны к характеристикам сети.

Выбор БП

Выбирать требуемый источник питания стоит с учётом условий его работы. Изначально следует определить количество устройств, которые будут подключаться, а также позаботиться о том, как подключить и куда вмонтировать (в стойку, щит, шкаф). Стоит и рассчитать сумму потребляемой мощности — полученное значение — минимум, БП стоит выбирать с запасом в 1,2–1,5 раза. Учитывать стоит и факторы окружающей среды такие как — охлаждение, влажность, запыленность.

Энергоблок для внешнего использования к примеру, для телефонных аппаратов, роутеров или другой домашней и офисной техники зачастую выпускаться в корпусе из пластика, со штепселем для подсоединения к розетке и с индивидуальным штекером под конкретное гнездо. Встраиваемые приборы поступают в продажу в металлическом перфорированном кожухе, подключение пользователей происходит через клеммные разъемы. Цена формируется в зависимости от типа импульсного блока питания и его характеристик.

FAQ: для чего лучше всего использовать импульсный источник питания?

Устранение шума или электромагнитных помех может стать серьезной проблемой при разработке источников питания для электронных плат. Хотя снижение шума может не быть критической проблемой для конструкции линейного источника питания, собственный шум, создаваемый переключающими устройствами, имеет первостепенное значение при проектировании схем импульсного источника питания. К счастью, эту проблему можно в достаточной мере уменьшить, как описано в следующих часто задаваемых вопросах по импульсным источникам питания.

Что такое импульсный блок питания?

Импульсный источник питания — это один из двух основных типов источников питания, используемых в электронной продукции. Эти источники питания характеризуются использованием точной коммутации, которая позволяет использовать конструкции для преобразования постоянного тока в постоянный, постоянного в переменный, переменного в постоянный и преобразования частоты.

В чем разница между импульсным блоком питания и SMPS?

Исследования и разработка источников питания, которые использовали «переключение» для повышения эффективности по сравнению с обычными линейными источниками питания, начались в 1950-х годах с ранних устройств, в которых использовались вакуумные лампы; однако первое запатентованное использование термина «импульсный источник питания» было в 1976 году Говардом Скоттом из RCA.Сегодня термины «импульсный источник питания» и «импульсный источник питания» (SMPS) обычно используются как синонимы.

Какие типы коммутационных компонентов используются в импульсных источниках питания?

В отличие от линейных источников питания, в которых обычно используются диоды, в SMPS используется точное переключение для управления рабочим циклом. Поэтому чаще всего используются транзисторы, позволяющие улучшить управление.

Где используются импульсные блоки питания?

Импульсные источники питания в основном используются в цифровых системах, таких как телекоммуникационные устройства, вычислительное оборудование, звуковое оборудование, зарядные устройства для мобильных телефонов, медицинские испытательные устройства, оборудование для дуговой сварки и автомобильные зарядные устройства.

Что такое импульсный адаптер питания?

Источники питания по сути являются преобразователями. Как правило, они преобразуют один или несколько параметров из подаваемой мощности в тип параметра и уровень, требуемый нагрузкой или подключенной схемой. Адаптер источника питания позволяет использовать источник питания, выход которого не был специально разработан для используемого входа. Конструкции источников питания могут состоять только из схемы преобразования или могут состоять из схемы преобразования и адаптера на одной плате.

Какие бывают типы конструкции импульсных источников питания?

Наиболее распространенными типами конструкции импульсных источников питания являются:

• Бак
• Повышение
• Бак-Буст
• Вперед
• Обратный ход
• Тяни-толкай
• Полумост
• Полный мост

Каковы наиболее серьезные проблемы при проектировании плат импульсных источников питания?

Точное управление переключением — критическое требование к импульсным источникам питания.Однако это переключающее действие создает высокую частоту и шум. Для печатных плат более низкие радиочастоты не представляют особой проблемы. Тем не менее, при проектировании высокоскоростной платы необходимо учитывать особые факторы, такие как длина дорожек и выводы, импеданс платы и тип материала.

DFM для печатных плат HDI

Загрузить сейчас

Как снизить уровень шума в импульсных цепях питания?

Полное устранение шума или электромагнитных помех в конструкции источника питания практически невозможно.Вместо этого цель состоит в том, чтобы максимально снизить шум для достижения электромагнитной совместимости. На этом этапе ваша плата источника питания не только является хорошим соседом для ближайших электронных устройств, но и количество электромагнитных помех на вашей плате не влияет отрицательно на функциональность. Некоторые из лучших практик по снижению шума на печатных платах включают следующее: использование согласования импеданса, ограничение длины трассы и соблюдение надлежащих расстояний утечки и зазоров. Кроме того, одним из наиболее важных факторов, которые также влияют на ваши целевые показатели производительности для подключенных нагрузок, является фильтрация.

Каковы наиболее важные факторы при проектировании и изготовлении печатных плат импульсных источников питания?

SMPS используются в широком спектре приложений. Однако следующие факторы обычно требуют особого внимания при разработке плат импульсных источников питания.

Оптимизация импульсного источника питания Разработка печатной платы

Замечания по проектированию источника питания

: основы работы с импульсным режимом

В блоке питания и линейные регуляторы, и импульсные регуляторы выполняют одинаковые функции, генерируя регулируемое выходное напряжение, начиная с нерегулируемого входного напряжения.Однако они достигают этой цели, используя разные методы, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

---

Рекомендуется
Примечания по конструкции источника питания — Вот предыдущая статья. Наслаждаться!

---

Линейные источники питания могут только понижать (понижать) входное напряжение , получая более низкое выходное напряжение. Обычно это достигается путем принуждения транзистора BJT или MOSFET к работе в его линейной зоне.Последствия два:

1. Всегда существует разница ( V _DROP ) между выходным напряжением и входным напряжением.
2. Из-за непрерывной работы транзистора в линейной зоне, регулятор рассеивает значительную мощность, равную В _{ПАДЕНИЕ} , умноженное на I _{НАГРУЗКА} , где I _{НАГРУЗКА} — это ток, поглощаемый нагрузкой.

Отсюда следует, что линейные регуляторы имеют очень низкий КПД, обычно от 35% до 65%, и большую разницу между выходным напряжением и входным напряжением ( V _DROP = V _IN — V _OUT ), тем ниже КПД.Рассмотрим в качестве примера линейный регулятор с В _ВХОД = 9 В, В _ВЫХОД = 5 В и I _{НАГРУЗКА} = 150 мА. Этот регулятор должен рассеивать мощность 600 мВт ( (V _IN — V _OUT ) × I _{НАГРУЗКА} ) по сравнению с доступной выходной мощностью 750 мВт ( V _OUT × I _{НАГРУЗКА} ). Таким образом, КПД этого регулятора будет около 55%. По мере увеличения выходной мощности возрастает потребность в эффективном отводе тепла, достигаемом за счет радиаторов.Однако при мощности выше нескольких ватт линейные регуляторы больше не удобны с экономической точки зрения и, следовательно, представляют собой идеальное решение для приложений с низким энергопотреблением. Особым классом линейных регуляторов являются регуляторы с малым падением напряжения (LDO), которые объединяют специальную схему, способную выдерживать значение V _DROP (обычно несколько сотен или десятков милливольт), повышая общую эффективность. Достоинства линейных регуляторов заключаются в простоте схемы (для которой требуется небольшое количество внешних компонентов), в невысокой стоимости и в отсутствии коммутационных шумов (транзистор всегда работает в линейной зоне).

Импульсные источники питания

работают путем быстрого переключения транзистора между состоянием ОТКЛЮЧЕНИЕ (где нет тока, но есть высокое напряжение на переключателе) и состоянием НАСЫЩЕНИЯ (где есть большой ток, но напряжение на переключателе высокое). очень маленький). Полученное таким образом импульсное напряжение может быть впоследствии увеличено или уменьшено с помощью трансформатора и, наконец, отфильтровано для получения выходного напряжения постоянного тока. Импульсные источники питания достигают высоких значений КПД, обычно от 65% до 95%.Основные недостатки заключаются в сложности конструкции и наличии шума переключения, устранение которого является обязательным в некоторых приложениях. Импульсные источники питания управляются внешним сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), который определяет частоту переключения и рабочий цикл переключающего транзистора. Их можно разделить на две основные категории, которые различаются в зависимости от способа приложения выходного напряжения к нагрузке.

Преобразователь прямого режима

Прямой преобразователь, распознаваемый по наличию выходного фильтра L-C, использует трансформатор для повышения или понижения входного напряжения и обеспечивает гальваническую развязку нагрузки от напряжения питания переменного тока. На рисунке 1 показана принципиальная схема прямого преобразователя. Энергия передается на выход, когда транзистор находится в состоянии проводимости (включен). LC-фильтр генерирует выходное напряжение В _OUT , значение которого можно рассчитать следующим образом ( D — это рабочий цикл сигнала ШИМ, а N _S и N _P — число витков на соответствующих обмотках трансформатора):

V _OUT = V _IN × D × (N _S ÷ N _P )

Таким образом, изменяя рабочий цикл, можно изменять значение выходного напряжения.

Рисунок 1: Принципиальная схема прямого преобразователя

Обратный преобразователь

Даже если он основан на тех же компонентах, что и прямой преобразователь, обратный преобразователь работает существенно по-другому. Регулятор обратного хода преобразует входное напряжение в выходное напряжение с более высоким или низким значением и положительной или отрицательной полярностью. Базовая схема обратного преобразователя показана на рис. , рис. 2 . Переключатель на рис. 2 фактически заменен переключающим транзистором (обычно полевым транзистором), управляемым ШИМ-сигналом.

Рисунок 2: Принципиальная схема обратного преобразователя

Когда переключатель замкнут (транзистор включен), первичная обмотка трансформатора проходит через входной ток, вызывая отрицательное напряжение на вторичной обмотке. Таким образом, диод имеет обратное смещение, и нагрузка питается за счет энергии, накопленной в выходном конденсаторе (верхняя часть , рис. 3, ). С другой стороны, когда переключатель разомкнут (транзистор выключен), ток на первичной обмотке трансформатора обнуляется, а напряжение на вторичной обмотке становится положительным.Это приводит к тому, что диод становится проводящим, который, в свою очередь, может питать нагрузку и заряжать конденсатор.

Рисунок 3: Две рабочие фазы обратноходового преобразователя

Для получения дополнительной информации:

Силовая электроника играет все более важную роль на различных рынках, таких как автомобильный, промышленный и потребительский. Это также технология, позволяющая реализовать широкий спектр новых и улучшенных функций, которые повышают производительность, безопасность и функциональность автомобилей и интеллектуальных сетей.Сложные электрические и тепловые требования сильно влияют на конструкцию силовых электронных систем. Новости силовой электроники будут посвящены основным темам, таким как преобразователь мощности, управление движением, полупроводники и управление температурой. Электронная книга Power Electronics News — это интерактивный подход к информированию о последних технологиях, тенденциях и инновационных продуктах на определенных рынках.

Как работает импульсный источник питания

Как работает импульсный источник питания

В этом разделе мы дадим очень краткое объяснение того, что происходит внутри импульсного источника питания.Опять же, мы настоятельно рекомендуем вам прочитать нашу статью о PSU 101, если вы хотите получить более подробный анализ.

Что внутри и как оно работает?

Импульсный источник питания состоит из нескольких ступеней. Фильтр сетевого питания находится сразу за входом, отфильтровывая скачки, гармоники и различные другие нежелательные явления, обнаруживаемые в электросети. Он также предотвращает воздействие электромагнитных помех, создаваемых блоком питания, на расположенные рядом устройства. На втором этапе поток мощности переменного тока выпрямляется и экранируется одним или несколькими мостовыми выпрямителями.На данный момент мы имеем дело с напряжением около 325 В (при входном напряжении 230 В), которое подается на преобразователь APFC. Полевые транзисторы APFC (обычно два) разделяют промежуточное напряжение постоянного тока на постоянные последовательности импульсов. Эти импульсы сглаживаются конденсатором (-ами) большой емкости и подаются на главные переключатели. Последний прерывает сигнал постоянного тока, поступающий от сглаживающего конденсатора, на импульсы, амплитуда которых является величиной входного напряжения, а рабочий цикл регулируется контроллером импульсного регулятора. Таким образом, сигнал постоянного тока преобразуется в прямоугольный сигнал переменного тока, который подается на главный трансформатор.Чем выше частота переключения первичных переключателей, тем меньше размер основного трансформатора, и мы также получаем выигрыш в отношении шума EMI, подавления пульсаций и переходной характеристики. С другой стороны, более низкие скорости переключения повышают эффективность, хотя требуется более крупный трансформатор и увеличивается шум электромагнитных помех, нарушается подавление пульсаций, и переходная характеристика становится медленнее.

Внутреннее устройство Corsair AX1500i. Это, наверное, самый продвинутый коммерческий блок питания на сегодняшний день.

В конце концов, потребуются разные напряжения: 3,3, 5 и 12 В, а это означает, что простые импульсные блоки питания ПК имеют либо одну выходную шину с разными ответвлениями для каждого напряжения, либо отдельные шины для каждого напряжения. Верхние блоки питания даже имеют отдельные катушки для напряжений (если они не используют резонансный преобразователь LLC, поскольку блоки питания с ними не нуждаются в катушках; даже если они существуют, они просто играют роль в процессе фильтрации), что затем корректируются и сглаживаются второй раз после преобразования.Самое главное, чтобы эти напряжения оставались постоянными. Независимо от того, находится ли компьютер в режиме ожидания или при полной нагрузке, напряжения не могут отклоняться от своих характеристик более чем на пять процентов в соответствии со спецификацией ATX. Схема регулятора гарантирует, что это так.

Это подводит нас к следующей теме: эффективность. Если вы ищете новую машину, вы спросите своего местного дилера: «Итак, сколько миль на галлон у этой машины?» БП могут не сжигать бензин, но вам все равно нужно следить за их эффективностью.Действительно, это одна из областей, где большинство строителей неосознанно тратят больше энергии, увеличивая стоимость ПК в течение срока его службы. Хотите убедиться, что вы не совершили этой ошибки? Взгляните на следующую страницу!

Что такое импульсный источник питания (SMPS)?

Что означает импульсный источник питания (SMPS)?

Импульсный источник питания (SMPS) — это электронная схема, которая преобразует мощность с помощью переключающих устройств, которые включаются и выключаются на высоких частотах, и запоминающих компонентов, таких как катушки индуктивности или конденсаторы, для подачи энергии, когда переключающее устройство находится в нерабочем состоянии. состояние проводимости.

Импульсные источники питания имеют высокий КПД и широко используются в разнообразном электронном оборудовании, включая компьютеры и другое чувствительное оборудование, требующее стабильного и эффективного источника питания.

Импульсный источник питания также известен как импульсный источник питания или импульсный источник питания.

Techopedia объясняет импульсный источник питания (SMPS)

Импульсные источники питания классифицируются по типу входного и выходного напряжения.Четыре основные категории:

• от переменного тока к постоянному току
• DC в DC
• от постоянного тока до переменного тока
• AC в AC

Основной изолированный импульсный источник питания переменного тока в постоянный состоит из:

• Входной выпрямитель и фильтр
• Инвертор, состоящий из переключающих устройств, таких как полевые МОП-транзисторы
• Трансформатор
• Выходной выпрямитель и фильтр
• Цепь обратной связи и управления

Входной источник постоянного тока от выпрямителя или батареи подается на инвертор, где он включается и выключается на высоких частотах от 20 кГц до 200 кГц с помощью переключающего полевого МОП-транзистора или силовых транзисторов.Высокочастотные импульсы напряжения от инвертора подаются на первичную обмотку трансформатора, а вторичный выходной переменный ток выпрямляется и сглаживается для получения необходимых постоянных напряжений. Схема обратной связи контролирует выходное напряжение и дает команду схеме управления отрегулировать рабочий цикл, чтобы поддерживать выходной сигнал на желаемом уровне.

Существуют различные конфигурации схем, известные как топологии, каждая из которых имеет уникальные характеристики, преимущества и режимы работы, которые определяют, как входная мощность передается на выход.

Большинство широко используемых топологий, таких как обратноходовая, двухтактная, полумостовая и полная мостовая, состоят из трансформатора для обеспечения развязки, масштабирования напряжения и нескольких выходных напряжений. Неизолированные конфигурации не имеют трансформатора, и преобразование энергии обеспечивается индуктивной передачей энергии.

Преимущества импульсных источников питания:

• Повышенный КПД от 68% до 90%
• Регулируемые и надежные выходы независимо от изменений входного напряжения питания
• Маленький и легкий
• Гибкая техника
• Высокая удельная мощность

Недостатки:

• Создает электромагнитные помехи
• Сложная схемотехника
• Дороже по сравнению с линейными расходными материалами

Импульсные источники питания используются для питания самого различного оборудования, такого как компьютеры, чувствительная электроника, устройства с батарейным питанием и другое оборудование, требующее высокой эффективности.

История импульсных источников питания (SMPS).

Новости XP

Источники питания — как далеко мы зашли?

Недавно я обедал с клиентом, с которым мы работали с конца 1990-х годов. Мы увидели много изменений за это время, и, когда подошел основной курс, мы начали говорить о том, как технологии источников питания развивались за эти годы.Это было наиболее заметно в областях эффективности и удельной мощности.

Первым устройством, которое он разработал с использованием XP Power, был блок питания 3 x 5 дюймов 40 Вт. В то время это могло считаться революционным, но если учесть, что в его последнем продукте использовался блок мощностью 350 Вт в том же пространстве, это становится ясно, как далеко мы зашли.

Технологический прогресс

Я провел небольшое исследование по этому поводу после нашего рабочего обеда, и, насколько я могу судить, самые первые импульсные источники питания были разработаны IBM в 1958 году.Они были основаны на ламповой технологии. Примерно в то же время корпорация General Motors подала несколько патентов на «транзисторные колебания».

Благодаря такому технологическому прогрессу дизайнеры внезапно получили возможность выбирать из множества компонентов и множества производителей, предоставляя им беспрецедентное количество вариантов и потенциально новаторский дизайн.

В центре внимания этого интенсивного периода разработки был традиционный линейный регулятор — самые светлые умы пытались выяснить, как они могут заменить устаревший трансформатор и резистивный метод изменения входного напряжения более эффективной конструкцией.

Идея, на которую они приземлились, заключалась в использовании транзистора для прерывания входного напряжения со средним значением, меньшим, чем исходное входное (у нас есть фантастический магазин технических статей здесь, на сайте, если вы хотите более подробное описание работы SMPS) .

Благодаря более высокой эффективности и меньшему количеству магнитных материалов новая технология была меньше, легче и выделяла меньше тепла. Как и в случае с современными изобретениями с такими характеристиками, это решение 1950-х годов было чрезвычайно привлекательным для предприятий в самых разных секторах — от электроники до аэрокосмической и коммуникаций до вычислительной техники, было множество первых последователей, каждый из которых пытался наилучшим образом использовать этот новый источник питания. технология.

Расчетная мощность

В течение следующих нескольких лет появилось множество патентов и разработок, многие из которых мы используем до сих пор. В 1972 году компания Hewlett Packard применила импульсный источник питания в своем первом карманном калькуляторе. В 1976 году был подан первый патент, использующий термин импульсный источник питания (SMPS).

Калькулятор

HP на самом деле был компьютером, хотя и в несколько другом формате, чем мы его знаем сегодня. Тогда оригинальный дизайн весил более 40 фунтов. SMPS использовался в конструкции для экономии места и веса, что стало первым шагом на пути к сверхтонким и невероятно легким компьютерам, ноутбукам и планшетам, которые мы используем сегодня.Точно так же производители аэрокосмической отрасли, размышляя о том, как они могут сэкономить вес и место, также начали искать нестандартные импульсные источники питания для создания гораздо более эффективных конструкций.

Охлаждение в 70-х и 80-х годах

1970-е были напряженным десятилетием, когда был сделан первый прорыв, и инновации продолжались в очень респектабельном темпе. Несколько компаний в Великобритании, США и Японии начали продавать стандартные блоки питания. На сегодняшний день существует около десятка компаний, которые утверждают, что первыми успешно разработали и выпустили на рынок импульсные источники питания, поэтому мы не будем туда идти!

Журналы по электронике того времени публиковали статьи и рекламу SMPS.Лидером в то время была американская корпорация Boschert Inc., основанная в Калифорнии. Он заменил источники питания линейных принтеров на модели с переключателем. Эта компания выросла до более чем 1000 человек, предлагая широкий ассортимент продукции: блоки питания с открытой рамой, корпусные и модульные блоки питания. В конце концов, в середине 80-х он был приобретен Computer Products Inc.

Apple Computers впервые представила импульсный источник питания для компьютеров Apple II в 1970-х годах. Эта небольшая, высокоэффективная технология означала, что Apple могла создать меньший и легкий компьютер без охлаждающего вентилятора.

Этот тип конструкции с конвекционным охлаждением был уникальным в то время. Технология зажила собственной жизнью и использовалась в десятках потребительских приложений. Блоки питания IBM PC также перешли в режим переключения, хотя и с охлаждающими вентиляторами, аналогичными тем, которые они сегодня используют в блоках питания в стиле ATX.

В конце 1980-х и начале 1990-х годов мы были ошеломлены, когда стали доступны стандартные блоки питания 3 x 5 дюймов с входом с автоматическим переключением диапазона, который определял, подключен ли он к 120 В переменного тока или 230 В переменного тока, и соответствующим образом настраивал.Эти продукты имели мощность от 25 до 40 Вт, или от 1,66 до 2,66 Вт / дюйм2

Встряска ЕС

По мере того, как на рынок выходило все больше и больше компаний, появлялись некоторые свободные отраслевые стандарты относительно общих размеров, таких как 3×5 ”. Плотность мощности стала улучшаться по мере развития магнетизма, переключающих транзисторов и микросхем контроллеров. Эти изменения позволили повысить эффективность и повысить удельную мощность.

К началу 90-х годов W / In2, доступный из разных источников, увеличился более чем вдвое.

ЕС вступил в силу с новым законодательством и общесоюзными директивами, что означало, что больше внимания уделялось излучению электромагнитной совместимости и коэффициенту мощности источников питания. По сути, по мере того, как эту технологию использовалось все больше и больше продуктов, возникала необходимость контролировать электрические помехи. Свою роль также сыграли проблемы с определением размеров проводников, необходимых для подачи энергии туда, где она была необходима в сети.

Законодательство ЕС было особенно разрушительным для рынка SMPS, поскольку технология коммутации намного шумнее, чем линейные источники питания.Также потребовались дополнительные схемы для придания формы сигнала входного тока синусоидальной форме — это позволило им удовлетворить требования к коэффициенту мощности и предотвратить появление избыточных гармоник, вызывающих проблемы с сетевым питанием.

Сегодняшнее меню

Итак, где мы находимся сегодня с точки зрения удельной мощности? Итак, покупатель, с которым я обедал, только что одобрил наш последний блок питания 3×5 дюймов мощностью 350 Вт с удельной мощностью 23 Вт / дюйм2. Это более чем в 10 раз превышает мощность первого блока питания, который он купил у меня.

Интересно то, что благодаря коммерциализации технологии, более высоким объемам и дешевизне азиатского производства, этот продукт доступен по очень той же цене, что и более ранние блоки мощностью 40 Вт.

Общие сведения о импульсных источниках питания (SMPS) | Справочник инженеров-проектировщиков

Импульсные источники питания (SMPS), иногда называемые импульсными источниками питания, стали рабочей лошадкой для эффективного преобразования энергии, принимая входное напряжение сети переменного тока и преобразовывая его в выходное низкое напряжение постоянного тока.Импульсные преобразователи переменного тока в постоянный широко распространены; внешний настольный блок питания для вашего ноутбука, внутри вашей телеприставки, и сетевое зарядное устройство для вашего смартфона.

Раньше задачу преобразования выполнял линейный метод преобразования энергии. Для линейных источников питания обычно требуются тяжелые и громоздкие трансформаторы с аналоговой схемой «линейного» регулирования. Из-за средней эффективности преобразования менее 65% трансформаторы выделяют относительно большое количество отходящего тепла, которое требует рассеивания.

Для сравнения, импульсные блоки питания компактны, энергоэффективны, обычно лучше 85%, и легкие. Импульсные источники питания также чрезвычайно гибки с точки зрения дизайна, что позволяет разработчикам найти оптимальное решение для любых требований к питанию, которые могут быть у их конечного продукта.

Решение о сборке и покупке

На каком-то этапе цикла разработки нового продукта инженерные группы сталкиваются с задачей проектирования источника питания. Учитывая, что они, вероятно, разрабатывают продукт с нуля, может возникнуть соблазн продолжить этот подход с блоком питания.Однако проектирование источников питания, как и многие другие аспекты электронной техники, — это в некоторой степени специализированный навык.

Многолетний опыт проектирования позволяет построить надежный и эффективный источник питания, а архитектура с переключением режимов намного сложнее, чем простая линейная конструкция. Кроме того, инновации в технологии производства полупроводников, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), несут ответственность за развитие архитектуры с переключением режимов, повышение энергоэффективности и уменьшение габаритов.По этой причине, если у вас нет особых технических ограничений, требующих индивидуальной разработки, выбор стандартного источника питания является разумным решением.

Принципы переключения

Принципы импульсного преобразования применимы как к источникам питания AC-DC, так и DC-DC. В случае источника питания переменного тока в постоянный существует пара этапов, включая выпрямление однофазного сетевого напряжения 230 В переменного тока или трехфазного переменного тока 400 В переменного тока, 50 Гц, перед этапами преобразования постоянного тока в постоянный.

В обоих случаях на стадии преобразования постоянного тока в постоянный первичная цепь силовых полупроводников (схема переключателя мощности) генерирует высокочастотное переменное напряжение на трансформаторе. Это вызывает ток в первичных обмотках, который вызывает переменный ток во вторичных обмотках, поэтому создается вторичное напряжение. Передаточное число намотки трансформатора указывает повышенное или пониженное значение. Вторичная цепь выпрямляет высокочастотное напряжение и может создавать сигнал обратной связи для первичной электроники для регулирования.

Основы топологии преобразователя

Рисунок 1: Прямой или понижающий понижающий преобразователь

Существует несколько различных топологий преобразователей, некоторые из которых более популярны, чем другие. Каждый из них имеет немного отличающуюся конфигурацию магнитных компонентов, таких как индукторы, трансформаторы и конденсаторы. Топологии учебников включают понижающий преобразователь и повышающий преобразователь, и они являются удобными примерами для иллюстрации основных принципов схемы импульсного преобразователя.

Понижающий преобразователь, также называемый прямым режимом, используется для понижения входного напряжения.

На рис. 1 (справа) показана упрощенная схема с использованием катушки индуктивности (L) и конденсатора (C) в выходной цепи. Полупроводниковый переключатель (TR1) представляет собой быстрое переключение полевого МОП-транзистора, переходящего в режим насыщения или полностью выключенного.

Когда TR1 проводит, диод (D) смещен в обратном направлении, и ток течет к нагрузке. Это заряжает конденсатор C через индуктор (L), который противодействует потоку, создавая магнитное поле.Когда TR1 прекращает проводимость, магнитное поле в L схлопывается, диод (D) становится смещенным в прямом направлении, заставляя ток через нагрузку, и в течение того же периода конденсатор (C) также разряжает свой удерживаемый заряд в нагрузке. Комбинация значений индуктивности и конденсатора создает LC-фильтр, который служит для сглаживания любых пульсаций, возникающих при переключении.

Повышающий преобразователь (см. Рисунок 2 ниже) — это еще один тип популярной топологии, на этот раз подходящий для увеличения или «повышения» входного напряжения для создания более высокого выходного напряжения.

В отличие от понижающего преобразователя, в котором переключающий транзистор включен последовательно с входным напряжением, в цепи повышения напряжения он параллелен входу и подключен к входу через катушку индуктивности. Конденсатор продолжает находиться на нагрузке, поддерживая выходное напряжение, пока транзистор работает. Сжимающееся поле катушки индуктивности течет к выходу, когда транзистор выключен.

Рисунок 2: Упрощенная схема повышающего преобразователя

Комбинация понижающей и повышающей топологий представляет собой понижающий / повышающий преобразователь, способный повышать или понижать входное напряжение.

Обратите внимание, что с точки зрения безопасности ни одна из вышеперечисленных топологий не использует трансформатор, описываемый как неизолированный преобразователь, для изоляции входного напряжения от выходного. Они также имеют общее заземление.

Существует несколько топологий, используемых для источников питания переменного и постоянного тока, которые обеспечивают изоляцию и обладают высокой энергоэффективностью в работе, наиболее популярными из которых являются методы обратного хода и квазирезонансные методы.

Архитектура типового импульсного источника питания

Рисунок 3: Функциональные блоки примера импульсного источника питания AC-DC (SMPS)

Входной фильтр

Входной фильтр служит для устранения любых повреждающих скачков напряжения и скачков напряжения на входе сети, которые могут проникнуть в блок питания и вызвать их повреждение.Фильтр также помогает устранить любые электромагнитные помехи (EMI), генерируемые в цепи переключения, от передачи в сеть переменного тока.

Схема переключения обычно работает в диапазоне от 25 кГц до 500 кГц и является источником электромагнитных помех. Шум, поступающий от сети, состоит из двух компонентов: синфазного и дифференциального. Общий режим относится к шуму, измеренному между фазой или нейтралью и землей. Дифференциальный шум находится между живым и нейтральным.

Комбинация катушек индуктивности / дросселей и конденсаторов формирует систему фильтров для ослабления обоих типов шума.

Исправление

Отфильтрованное входное переменное напряжение проходит через мостовой выпрямитель для создания пульсирующего постоянного напряжения. Сглаживающий «объемный» конденсатор устраняет линейную пульсацию выпрямленного напряжения и обеспечивает функцию удержания напряжения.

Коррекция коэффициента мощности

Это важный аспект любой конструкции блока питания мощностью более 75 Вт — и для светодиодных блоков питания мощностью более 20 Вт — и связан с разницей между потребляемой реальной мощностью и фактическим полным потребляемым током, выраженной в виде отношения; это коэффициент мощности.

В идеальных условиях это соотношение должно быть равно единице (1). Однако поведение зарядного тока «объемного» конденсатора, используемого в каскаде выпрямления, искажает синусоидальную форму волны переменного тока.

В методах пассивной коррекции коэффициента мощности обычно используется индуктор на входе под напряжением для уменьшения пиков синусоидальной волны, уменьшения потенциальных гармонических искажений и повышения коэффициента мощности. Однако это может снизить эффективность.

Сегодня в большинстве импульсных источников питания AC-DC используются методы активной коррекции коэффициента мощности.Часто схема повышающего преобразователя используется для управления формой сигнала (повышения коэффициента мощности) и ограничения гармонических искажений.

Функция переключения

Состоит из импульсных силовых полупроводников, трансформатора и ИС драйвера, вместе они создают высокое переменное напряжение для трансформатора. Коэффициент трансформации трансформатора позволяет повышать или понижать напряжение, а также служит в качестве изоляционного барьера.

Частоты переключения могут варьироваться от 25 кГц до 500 кГц и более.Частота и / или рабочий цикл сигнала ШИМ могут варьироваться в зависимости от нагрузки, приложенной к выходу.

При проектировании функции переключения важно соблюдать передовые методы защиты от электромагнитных помех, чтобы минимизировать наведенные и излучаемые электромагнитные помехи в соответствии с нормативными стандартами.

Регулировка выхода постоянного тока и линейного напряжения

Вторичный выход трансформатора проходит через выпрямитель на нагрузку. Сглаживающие конденсаторы и фильтрующие компоненты также являются частью этой функции.Выходное напряжение также подается на усилитель-компаратор, который сравнивает выходной сигнал с опорным напряжением, чтобы обеспечить точное регулирование напряжения.

Оптоизолятор обеспечивает гальванический барьер безопасности для обратной связи с первичной схемой управления ШИМ, регулируя привод соответствующим образом, чтобы исправить любые отклонения выходного напряжения.

Большинство доступных сегодня импульсных источников питания обладают высокой эффективностью, от 85% до 95%, что является нормой. Большая часть тепла, образующегося в результате потерь в источнике питания, рассеивается за счет теплопроводности.Однако в зависимости от используемых технологий, особенно для источников питания с высокой выходной мощностью свыше 150 Вт, может потребоваться принудительное воздушное охлаждение.

Добавление вентилятора с регулируемой скоростью и соответствующей схемы управления позволяет удовлетворить это требование. Однако более новые технологии с мощностью до 1500 Вт, все с высокой эффективностью, показывают, что вырабатываемое тепло можно отводить к радиаторам или в зону «холодных пластин» с кондуктивным охлаждением, избегая необходимости в шумных и чувствительных к старению вентиляторах.В более мощных моделях используется жидкостное охлаждение, которое отводит выделяемое тепло в другую зону.

Выбор импульсного источника питания AC-DC

При выборе импульсного источника питания переменного / постоянного тока, помимо требуемых электрических характеристик, таких как входное и выходное напряжение, мощность и эффективность работы, необходимо изучить несколько других факторов в техническом описании продукта.

Что такое линейное регулирование? Большинство импульсных источников питания регулируют свое выходное напряжение в пределах +/- 3% от заявленной номинальной выходной мощности.Этого достаточно для вашего конечного продукта? Кроме того, поддерживается ли это при всех условиях нагрузки, скажем, от 10% до 100%?

Есть ли у него пиковая мощность или возможность повышения? Эта полезная функция позволяет использовать, например, 150% полной нагрузки на короткое время. От этого может выиграть запуск двигателя, позволяющий выбрать более дешевый источник питания с более низким номиналом, чем необходимость выдерживать полную пиковую нагрузку с более дорогим источником питания.

Не забудьте убедиться, что источник питания соответствует всем международным и национальным нормам по энергоэффективности, безопасности и электромагнитным помехам.Стандарты устанавливают минимальные уровни энергоэффективности при полной нагрузке и нагрузке 10%, а также максимальное потребление энергии в условиях холостого хода. В США соответствующим стандартом является DoE Level VI, а в Европе — EcoDesign 2019/1782.

Общие правила техники безопасности включают IEC 62368-1 для IT- и AV-оборудования и IEC 60601-1, если у вас есть медицинский продукт. Для бытовых электроприборов действует директива IEC 60335-1.

Дополнительные директивы включают особые требования для светодиодного освещения, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и других приложений.Стандарты EMI CISPR32 и FCC20870 устанавливают требования к электромагнитным помехам и восприимчивости.

Заключение

Выбор импульсных источников питания переменного и постоянного тока — непростая задача, поскольку необходимо учитывать все правила техники безопасности. Импульсные источники питания — это энергоэффективный и компактный способ питания любого автономного конечного продукта. Они доступны для универсального диапазона входного напряжения переменного тока от 90 до 264 В переменного тока и с различными популярными номинальными выходными напряжениями постоянного тока от известных поставщиков.Если вам нужна консультация по выбору источника питания, свяжитесь с нашими специалистами по энергетике, чтобы обсудить ваши требования.

Рекомендации по компоновке печатной платы импульсного блока питания

— на пути к лучшему коммутатору

Вы когда-нибудь начинали разрабатывать схему импульсного блока питания только для того, чтобы понять, что невозможно согласовать схему расположения, предложенную в таблице данных? Задумывались ли вы, какие части эталонного дизайна вам следует сохранить, а какие — изменить? Как выбор макета влияет на производительность коммутатора? В этой статье я намерен кратко рассказать историю, объяснить основные принципы работы и привести примеры импульсных источников питания и методов их проектирования.Я надеюсь, что таким образом я смогу передать удовольствие, которое я получаю от разработки этих уникальных схем.

История коммутатора

Кто-то может подумать, что импульсные источники питания начали использоваться в 1970-х годах, но принципы были известны еще в 1930-х годах. Их реализация включает мэйнфрейм IBM 704 (1950-е), спутник NASA Telstar (1960-е) и знаменитый персональный компьютер Apple II (1970-е). И с тех пор почти всегда … ну, это было!

Нет недостатка в тех, кто хочет отдать должное популярности импульсных блоков питания.Однако реальность такова, что инновации в полупроводниковой промышленности (усовершенствование переключающих транзисторов и разработка новых микросхем контроллеров) — вот что следует отнести к взрыву их популярности. Выключатель питания, который позволял очень быстро переключать большие токи, действительно был ключом к тому, чтобы сделать импульсные источники питания практичными для широкого спектра применений, которые мы видим сегодня. Эту возможность обеспечило изобретение переключателя питания Vertical Metal Oxide Semiconductor (VMOS).Биполярные транзисторные переключатели питания хорошо работают в мощных коммутационных приложениях, но эти компоненты демонстрируют более медленные характеристики переключения, чем MOSFET, переключатель питания VMOS. Было важно, особенно для приложений бытовой электроники, увеличить скорость переключения не только для повышения энергоэффективности, но и для выхода за пределы слышимого диапазона частот.

Терминология коммутатора

Импульсный источник питания известен также под другими названиями. Термин импульсный источник питания широко использовался до тех пор, пока Motorola не ввела в действие свою торговую марку SWITCHMODE ™.
«Коммутируемый режим» и «коммутируемый режим» теперь являются общими терминами, как и инициалы SMPS. В компьютере основной источник питания может называться импульсным источником питания, а источники питания точки нагрузки могут называться импульсными регуляторами. Во избежание путаницы вместо всех этих терминов будет использоваться универсальный термин «переключатель».

Работа коммутатора

Коммутатор использует выключатель питания, конденсаторы фильтра, магнетизм и выпрямитель для передачи энергии от входа к выходу, обеспечивая источник регулируемого напряжения.Он работает путем быстрого включения и выключения питания. Входное напряжение и рабочий цикл, который представляет собой пропорцию времени, в течение которого переключатель находится во включенном и выключенном состоянии, определяют выходное напряжение. Во включенном состоянии переключатель находится в режиме насыщения с незначительным падением напряжения на нем. В состоянии ВЫКЛЮЧЕНО переключатель находится в режиме отключения с незначительным током через него. Это два очень эффективных состояния, в которых переключатель мощности рассеивает очень мало энергии. Это приводит к очень эффективному преобразованию энергии и очень небольшим потерям мощности из-за тепла.

Коммутаторам

не требуются низкочастотные трансформаторы, большие и тяжелые; однако они требуют высокочастотной фильтрации. Фильтрация может выполняться с использованием компонентов гораздо меньшего размера. Все это дает коммутаторам огромное преимущество перед своими аналогами с линейными регуляторами в области миниатюризации и энергоэффективности. Недостатки использования коммутатора состоят в том, что они могут быть требовательными к компоновке и из-за быстрого переключения и сильноточных трактов могут излучать электромагнитные помехи (они могут быть шумными!).

Типы коммутаторов

Есть два типа переключателей: изолированные и неизолированные трансформаторы. Коммутаторы, использующие входное напряжение выше 42,5 В постоянного тока, обычно требуют использования трансформаторной изоляции. Неизолированные переключатели могут быть очень маленькими и компактными, и часто переключатель питания и схемы управления размещаются на одной микросхеме. Существуют различные топологии переключателя (электрическое расположение переключателя, магнитов, конденсаторов и диодов) для удовлетворения требований к источнику и напряжению нагрузки современных электронных устройств.В таблице 1 перечислены три распространенные топологии неизолированных коммутаторов.

Изолированные коммутаторы

имеют много общих топологий. Каждый из них имеет характеристики, которые делают его более подходящим для конкретного приложения источника питания. Входное напряжение, выходная мощность и максимальный выходной ток являются основными факторами при выборе топологии. Другие факторы включают стоимость, эффективность, количество выходов, изоляцию, размер и технические требования. Топологии изолированных коммутаторов могут быть довольно сложными, но их базовая конструкция основана на топологиях неизолированных коммутаторов.Катушка индуктивности в неизолированном переключателе разделена и соединена, образуя трансформатор, обеспечивающий изоляцию. Используя эту концепцию, прямой преобразователь основан на понижающем преобразователе, а обратный преобразователь основан на понижающем повышении. Остальные перечисленные изолированные топологии (таблица 2) являются производными от базовой конструкции прямого преобразователя.

Для простоты в данной статье основное внимание будет уделено неизолированному, понижающему стабилизатору постоянного тока с одним положительным выходом (также известному как понижающий преобразователь) в качестве примера схемы коммутатора.

Подсказки по макету

Лучшим источником информации при создании макета видеомикшера является техническое описание производителя вместе с любыми примечаниями по применению. Возможно, макет, предоставленный для ознакомительных целей, можно использовать в качестве справочного материала. Как правило, если вы точно следуете рекомендуемой компоновке и примечаниям, то результирующая компоновка работает так, как того требует производитель. Однако чаще всего один или несколько факторов вынуждают вас внести изменения в вашу реализацию эталонного макета.Эти факторы включают:

 Основные компоненты различаются по размеру и форме
 Функции схемы опущены или добавлены
 Механические ограничения
 Близость к другим схемам и плотность платы
 Дополнительные тепловые требования
 Требования к испытаниям
 Детали с мелким шагом, требующие более тонкой меди
 Требуются переходные отверстия большего размера из-за толщины платы или соображений надежности
 Различное количество слоев печатной платы

Любой из этих факторов может повлиять на вашу способность реализовать макет производителя в вашем дизайне.Это означает, что что-то должно измениться, но что? А что делать, если нет заметки о приложении, к которой можно было бы обратиться? Как вы принимаете правильные решения при проектировании такой ответственной цепи?

Обзор схемы

Первым делом необходимо определить ключевые компоненты питания в схеме коммутатора. Это (см. Схему на рисунке 1):
Конденсаторы фильтра: Cin и Cout быстро генерируют и поглощают большие уровни переменного тока.
Выключатель питания: U1, элемент последовательного прохода, обычно представляет собой полевой МОП-транзистор.Это может быть одно или несколько дискретных устройств или встроенные в контроллер, если таковой имеется.
Индуктор: L1, магнитный элемент, обеспечивает накопление энергии, которая будет рекуперироваться, когда переключатель выключен. Диод
: выходной выпрямитель D1 обычно представляет собой диод Шоттки, но в сверхэффективных (например, синхронных выпрямителях) схемах переключения эту функцию будет выполнять полевой МОП-транзистор.
Катушка индуктивности и конденсатор Cout образуют LC-фильтр, обеспечивающий фильтрацию высокочастотных пульсаций напряжения. Иногда параллельно с Cin подключается высокочастотный шунтирующий конденсатор (Cbypass или Chf).Этот конденсатор необходимо разместить очень близко ко входу переключателя. Часто компоненты питания для схемы коммутатора находятся «на кристалле», то есть находятся на контроллере. Маршрутизация печатной платы будет следовать тем же правилам, что и при установке этих компонентов «вне кристалла».

Силовые тракты

Понимание того, как работает переключатель, требует от нас определения нескольких критических контуров тока, постоянного (постоянного) и переменного (переменного) тока.

Петли постоянного тока: 1) входной контур от источника ввода через конденсатор Cin и возврат к источнику и 2) выходной контур от конденсатора Cout через выходную нагрузку и возврат обратно к Cout. .На рисунке 2 показано расположение входных и выходных контуров. Эти петли должны быть подключены как непосредственно к клеммам соответствующих конденсаторов фильтра, так и с короткими широкими дорожками для низкого импеданса.

Эти два отдельных контура постоянного тока можно рассматривать как пути прохождения тока нерегулируемого источника и регулируемые напряжения нагрузки.
Петли переменного тока — это петля переключателя питания и петля выходного выпрямителя.
Петля переключателя питания формируется, когда переключатель питания включен.В это время прямой ток течет от Cin через переключатель, индуктивность, через Cout и возвращается обратно в Cin.
Цепь выходного выпрямителя формируется, когда переключатель находится в положении ВЫКЛ. Теперь энергия восстанавливается из индуктора (магнитного накопителя). Во время этого цикла прямой ток течет от катушки индуктивности к Cout и возвращается от Cout через выпрямитель и обратно к катушке индуктивности.
Можно представить себе функцию коммутатора как преобразование постоянного тока на его входе в переменный ток, а затем обратно в постоянный ток на выходе, с целью повышения энергоэффективности.
Петли переменного тока являются наиболее важными соединениями в любой компоновке коммутатора. Эти пути имеют приоритет над всеми остальными. Их размещение и маршрутизация должны быть спланированы в первую очередь, и они должны быть проложены короткими путями с низкой индуктивностью (см. Рисунок 3).

Обратные пути переменного тока должны быть максимально согласованы с соответствующими путями прямого тока. Лучший способ сделать это — использовать полную пластину заземления в непосредственной близости от следующего соседнего слоя печатной платы. Минимизируя площадь контура и заставляя обратный путь точно следовать пути прямого тока, противоположные магнитные поля будут стремиться нейтрализовать друг друга.Это снижает нежелательные электромагнитные помехи. Обратный путь не должен быть занят слишком большим количеством незаземленных переходных отверстий, которые могут подорвать эффективную медь для этого пути из-за создания отверстий или щелей в этой плоскости. Также лучше всего выровнять эти переходные отверстия, оставляя широкие проходы из меди в направлении обратного пути. Разница между двумя обратными путями переменного тока (от анода выпрямителя до отрицательной клеммы Cin) должна заключаться в коротком заземлении с низким сопротивлением и общей точкой, которое включает в себя отрицательную клемму Cout и, если применимо, термостат контроллера. pad и любые соединения PGND.

Все силовые компоненты должны быть расположены на одной стороне платы, а соединения прямого пути тока должны выполняться без термического разгрузки и без использования переходных отверстий. Заземляющие переходные отверстия также должны быть подключены к плоскости без термического разгрузки.

Выход переключателя называется узлом SW и является частью прямого пути переменного тока. Он переносит быстро коммутируемые колебания напряжения с большой амплитудой (высокое dV / dT) вместе с высокими пиковыми токами. В частности, это соединение должно быть как можно короче.На уровне контроллера важно сделать это соединение очень низкой индуктивностью, и оно должно быть достаточно широким для протекающего через него тока. Не рекомендуется расширять соединение для компенсации большего расстояния. Это связано с тем, что вероятность того, что это соединение станет антенной и излучает электромагнитные помехи, напрямую зависит от его длины. Схема коммутатора должна быть размещена таким образом, чтобы это соединение было удалено от других схем, включая другие коммутаторы на той же плате.

Подключение узла SW не должно быть частью медного потока, который используется для рассеивания тепла, даже если это лучший механический способ отвода тепла от коммутатора (см. Рисунок 4). Заливка медью для управления температурным режимом должна использовать низкоомные и бесшумные соединения постоянного тока (GND, VOUT и VIN). Направление воздушного потока также может потребоваться при размещении высоких компонентов, таких как катушка индуктивности и конденсаторы фильтра, вокруг дискретных переключателей питания. Компактный размер коммутатора, необходимый для уменьшения электромагнитных помех, также может затруднить эффективный отвод тепла.

Схема управления

Последний аспект коммутаторов, который мы рассмотрим, — это схема управления. Схема управления определяет рабочий цикл, который, в свою очередь, определяет выходное напряжение. Сигнал управления рабочим циклом, который может обеспечиваться либо полностью интегрированным контроллером источника питания, либо более простым драйвером затвора, передает частоту переключения (см. Рисунок 4). По этой трассе проходит ток средней мощности, и ее следует направлять в сторону от сильноточных петель.Его также следует прокладывать подальше от чувствительных цепей, на которые он может повлиять. Также может потребоваться направить этот сигнал в паре с другим сигналом от выхода драйвера к переключателю питания, чтобы уменьшить площадь контура и обеспечить подавление синфазного шума.

Рабочий цикл рассчитывается для того, чтобы коммутатор вырабатывал заданное выходное напряжение. Чтобы правильно настроить рабочий цикл, необходима обратная связь от выходной нагрузки: напряжение или ток.Для этой цели часто используется аналоговая схема усилителя с коррекцией ошибок. Вход этого усилителя (узел FB) имеет высокий импеданс и, следовательно, чувствителен к шуму, поэтому подключение к нему должно быть очень коротким (см. Рисунок 5). Для этого все компоненты, которые генерируют сигнал обратной связи (например, сеть делителей напряжения), должны быть размещены рядом с контроллером, а вход этих компонентов направлен на последний выходной конденсатор или иногда на нагрузку. Задача состоит в том, чтобы удерживать сигнал FB и другие аналоговые управляющие сигналы низкого уровня от искажения трактами мощности с высоким dV / dT, оставаясь при этом в непосредственной близости от них.По этой причине во многих случаях вам потребуется предоставить отдельную область аналоговой заземляющей поверхности, на которой будут ссылаться эти низкоуровневые сигналы и которая соединена с землей в одной точке. Следы обратной связи и все аналоговые сигналы должны пересекать аналоговую землю в этой общей точке.

Сводка

Некоторые таблицы данных или примечания к приложениям могут быть точно соблюдены, если предоставленный ими макет идеально подходит для включения в ваш дизайн без изменений. Это редко бывает с импульсными источниками питания.Будь то функция, которая добавлена ​​или опущена в схеме, или компонент, который слишком велик для предоставленного пространства, или что-то столь же маленькое, как изменение размера переходного отверстия, в вашем дизайне должно быть что-то другое. Но с такой часто используемой схемой, которая может так легко излучать электромагнитные помехи из-за быстрых изменений напряжения и тока, разработчику необходимо более глубокое понимание работы переключателя, чтобы успешно завершить компоновку. Я надеюсь, что приведенная выше информация окажется полезной для вас при принятии необходимых решений при проектировании ваших печатных плат.Эта статья лишь поверхностно затронула обширную тему компоновки видеомикшера. Некоторые из обсуждаемых здесь вопросов будут иметь отношение к вашему макету, а некоторые — нет.