20 Янв, 2022

Импульсный блок питания как работает: Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике / Хабр

Содержание

Как устроен блок питания, который работает в каждом системнике / Хабр


Блок питания извлечён из корпуса. Пучок проводов слева подключается к компьютеру. Большой компонент посередине типа трансформатора — это фильтрующий индуктор. Кликабельно, как и все фотографии в статье

Вы когда-нибудь задумывались, что находится внутри блока питания (БП) вашего компьютера? Задача БП — преобразовать питание из сети (120 или 240 В переменного тока, AC) в стабильное питание постоянного, то есть однонаправленного тока (DC), который нужен вашему компьютеру. БП должен быть компактным и дешёвым, при этом эффективно и безопасно преобразовывать ток. Для этих целей при изготовлении используются различные методы, а сами БП внутри устроены гораздо сложнее, чем вы думаете.

В этой статье мы разберём блок стандарта ATX и объясним, как он работает1.

Как и в большинстве современных БП, в нашем используется конструкция, известная как «импульсный блок питания» (ИБП).

Это сейчас они очень дёшевы, но так было не всегда. В 1950-е годы сложные и дорогие ИБП использовались разве что в ракетах и космических спутниках с критическими требованиями к размеру и весу. Однако к началу 1970-х новые высоковольтные транзисторы и другие технологические усовершенствования значительно удешевили ИБП, так что их стали широко использовать в компьютерах. Сегодня вы можете за несколько долларов купить зарядное устройство для телефона с ИБП внутри.

Наш ИБП формата ATX упакован в металлический корпус размером с кирпич, из которого выходит множество разноцветных кабелей. Внутри корпуса мы видим плотно упакованные компоненты. Инженеры-конструкторы явно были озабочены проблемой компактности устройства. Многие компоненты накрыты радиаторами. Они охлаждают силовые полупроводники. То же самое для всего БП делает встроенный вентилятор. На КДПВ он справа.

Начнём с краткого обзора, как работает ИБП, а затем подробно опишем компоненты. Своеобразный «конвейер» на фотографии организован справа налево. Справа ИБП получает переменный ток. Входной переменный ток преобразуется в высоковольтный постоянный ток с помощью нескольких крупных фильтрующих компонентов. Этот постоянный ток включается и выключается тысячи раз в секунду для генерации импульсов, которые подаются в трансформатор. Тот преобразует высоковольтные импульсы в сильноточные низковольтные. Эти импульсы преобразуются в постоянный ток и фильтруются, чтобы обеспечить хорошее, чистое питание. Оно подаётся на материнскую плату, накопители и дисководы через кабели на фотографии слева.

Хотя процесс может показаться чрезмерно сложным, но большинство бытовой электроники от мобильника до телевизора на самом деле питаются через ИБП. Высокочастотный ток позволяет сделать маленький, лёгкий трансформатор. Кроме того, импульсные БП очень эффективны. Импульсы настраиваются таким образом, чтобы обеспечить только необходимую мощность, а не превращать избыточную мощность в отработанное тепло, как в линейном БП.

Первым делом входной переменный ток проходит через цепь входного фильтра, которая фильтрует электрический шум, то есть беспорядочные изменения электрического тока, ухудшающие качество сигнала.

Фильтр ниже состоит из индукторов (тороидальных катушек) и конденсаторов. Квадратные серые конденсаторы — специальные компоненты класса X для безопасного подключения к линиям переменного тока.


Компоненты входного фильтра

Переменный ток с частотой 60 герц в сети меняет своё направление 60 раз в секунду (AC), но компьютеру нужен постоянный ток в одном направлении (DC).

Полномостовой выпрямитель

на фотографии ниже преобразует переменный ток в постоянный. Выходы постоянного тока на выпрямителе отмечены знаками

?

и

+

, а переменный ток входит через два центральных контакта, которые

постоянно меняют свою полярность

. Внутри выпрямителя — четыре диода. Диод позволяет току проходить в одном направлении и блокирует его в другом направлении, поэтому в результате переменный ток преобразуется в постоянный ток, протекающий в нужном направлении.


На мостовом выпрямителе видна маркировка GBU606. Цепь фильтра находится слева от выпрямителя. Большой чёрный конденсатор справа — один из удвоителей напряжения. Маленький жёлтый конденсатор — это специальный керамический Y-конденсатор, который защищает от всплесков напряжения

Ниже — две схемы, как работает мостовой выпрямитель. На первой схеме у верхнего входа переменного тока положительная полярность. Диоды пропускают поток на выход DC. На второй схеме входы переменного тока поменяли полярность, как это происходит постоянно в AC. Однако конфигурация диодов гарантирует, что выходной ток остаётся неизменным (плюс всегда сверху). Конденсаторы сглаживают выход.


На двух схемах показан поток тока при колебаниях входного сигнала AC. Четыре диода заставляют ток течь в направлении по стрелке

Современные БП принимают «универсальное» входное напряжение от 85 до 264 вольт переменного тока, поэтому могут использоваться в разных странах независимо от напряжения в местной сети. Однако схема этого старого БП не могла справиться с таким широким диапазоном. Поэтому предусмотрен переключатель для выбора 115 или 230 В.


Переключатель 115/230 В

Переключатель использует умную схему с удвоителем напряжения. Идея в том, что при закрытом переключателе (на 115 В) вход AC обходит два нижних диода в мостовом выпрямителе, а вместо этого подключается непосредственно к двум конденсаторам. Когда «плюс» на верхнем входе AC, полное напряжение получает верхний конденсатор. А когда «плюс» снизу, то нижний. Поскольку выход DC идёт с обоих конденсаторов, на выходе всегда получается двойное напряжение. Дело в том, что остальная часть БП получает одинаковое напряжение независимо от того, на входе 115 или 230 В, что упрощает его конструкцию. Недостаток удвоителя в том, что пользователь обязан установить переключатель в правильное положение, иначе рискует повредить БП, а для самого БП требуются два больших конденсатора. Поэтому в современных БП удвоитель напряжения вышел из моды.


Схема удвоителя напряжения. Каждый конденсатор получает полный вольтаж, поэтому на выходе DC двойное напряжение. Серые диоды не используются в работе удвоителя

В целях безопасности высоковольтные и низковольтные компоненты разделены механически и электрически, см. фотографию ниже. На основной стороне находятся все цепи, которые подключаются к сети AC. На вторичной стороне — низковольтные цепи. Две стороны разделены «пограничной изоляцией», которая отмечена зелёным пунктиром на фотографии. Через границу не проходит

никаких

электрических соединений. Трансформаторы пропускают энергию через эту границу через магнитные поля без прямого электрического соединения. Сигналы обратной связи передаются на основную сторону с помощью оптоизоляторов, то есть световыми импульсами. Это разделение является ключевым фактором в безопасной конструкции: прямое электрическое соединение между линией AC и выходом БП создаёт опасность удара электрическим током.


Источник питания с маркировкой основных элементов. Радиаторы, конденсаторы, плата управления и выходные кабели удалены ради лучшего обзора (SB означает источник резервного питания, standby supply)

К этому моменту входной переменный ток преобразован в высоковольтный постоянный ток около 320 В

2

. Постоянный ток нарезается на импульсы переключающим (импульсным) транзистором (

switching transistor

на схеме выше). Это силовой МОП-транзистор (MOSFET)

3

. Поскольку во время использования он нагревается, то установлен на большом радиаторе. Импульсы подаются в главный трансформатор, который в некотором смысле является сердцем БП.

Трансформатор состоит из нескольких катушек проволоки, намотанных на намагничиваемый сердечник. Высоковольтные импульсы, поступающие в первичную обмотку трансформатора, создают магнитное поле. Сердечник направляет это магнитное поле на другие, вторичные обмотки, создавая в них напряжение. Так ИБП безопасно вырабатывает выходной ток: между двумя сторонами трансформатора нет электрического соединения, только соединение через магнитное поле. Другим важным аспектом является то, что в первичной обмотке много оборотов проволоки вокруг сердечника, а на вторичных контурах гораздо меньше. В результате получается понижающий трансформатор: выходное напряжение намного меньше входного, но при гораздо большем вольтаже.

Переключающий транзистор3 управляется интегральной схемой под названием «ШИМ-контроллер режима тока UC3842B». Этот чип можно считать мозгом БП. Он генерирует импульсы на высокой частоте 250 килогерц. Ширина каждого импульса регулируется для обеспечения необходимого выходного напряжения: если напряжение начинает падать, чип производит более широкие импульсы, чтобы пропускать больше энергии через трансформатор

4.

Теперь можно посмотреть на вторую, низковольтную часть БП. Вторичная схема производит четыре выходных напряжения: 5, 12, ?12 и 3,3 вольта. Для каждого выходного напряжения отдельная обмотка трансформатора и отдельная схема для получения этого тока. Силовые диоды (ниже) преобразуют выходы трансформатора в постоянный ток. Затем индукторы и конденсаторы фильтруют выход от всплесков напряжения. БП должен регулировать выходное напряжение, чтобы поддерживать его на должном уровне даже при увеличении или уменьшении нагрузки. Интересно, что в БП используется несколько различных методов регулирования.


Крупным планом показаны выходные диоды. Слева вертикально установлены цилиндрические диоды. В центре — пары прямоугольных силовых диодов Шоттки, в каждом корпусе по два диода. Эти диоды прикреплены к радиатору для охлаждения. Справа обратите внимание на два медных провода в форме скоб. Они используются в качестве резисторов для измерения тока

Основными являются выходы 5 и 12 В. Они регулируются одной микросхемой контроллера на основной стороне. Если напряжение слишком низкое, микросхема увеличивает ширину импульсов, пропуская больше мощности через трансформатор и увеличивая напряжение на вторичной стороне БП. А если напряжение слишком высокое, чип уменьшает ширину импульса. Примечание: одна и та же схема обратной связи управляет выходами на 5 и 12 В, поэтому нагрузка на одном выходе может изменять напряжение на другом. В более качественных БП два выхода регулируются по отдельности5.


Нижняя сторона печатной платы. Обратите внимание на большое расстояние между цепями основной и вторичной сторон БП. Также обратите внимание, какие широкие металлические дорожки на основной стороне БП для тока высокого напряжения и какие тонкие дорожки для схем управления

Вы можете задать вопрос, как микросхема контроллера на основной стороне получает обратную связь об уровнях напряжения на вторичной стороне, поскольку между ними нет электрического соединения (на фотографии виден широкий зазор). Трюк в использовании хитроумной микросхемы под названием оптоизолятор. Внутри чипа на одной стороне чипа инфракрасный светодиод, на другой светочувствительный фототранзистор. Сигнал обратной связи подаётся на LED и детектируется фототранзистором на другой стороне. Таким образом оптоизолятор обеспечивает мост между вторичной и первичной сторонами, передавая информацию светом, а не электричеством

6.

Источник питания также обеспечивает отрицательное выходное напряжение (?12 В). Это напряжение в основном устарело, но использовалось для питания последовательных портов и слотов PCI. Регулирование питания ?12 В кардинально отличается от регулирования +5 и +12 В. Выход ?12 В управляется стабилитроном (диодом Зенера) — это специальный тип диода, который блокирует обратный ток до определённого уровня напряжения, а затем начинает проводить его. Избыточное напряжение рассеивается в виде тепла через силовой резистор (розовый) под управлением транзистора и стабилитрона (поскольку этот подход расходует энергию впустую, современные высокоэффективные БП не используют такой метод регулирования).


Питание ?12 В регулируется крошечным стабилитроном ZD6 длиной около 3,6 мм на нижней стороне печатной платы. Соответствующий силовой резистор и транзистор A1015 находятся на верхней стороне платы

Пожалуй, наиболее интересной схемой регулирования является выход 3,3 В, который регулируется магнитным усилителем. Магнитный усилитель — это индуктор с особыми магнитными свойствами, которые заставляют его работать как ключ (переключатель). Когда ток подаётся в индуктор магнитного усилителя, то сначала он почти полностью блокирует ток, поскольку индуктор намагничивается и магнитное поле увеличивается. Когда индуктор достигает полной намагниченности (то есть насыщается), его поведение внезапно меняется — и индуктор позволяет частицам течь беспрепятственно. Магнитный усилитель в БП получает импульсы от трансформатора. Индуктор блокирует переменную часть импульса. Выход 3,3 В регулируется изменением ширины импульса7.


Магнитный усилитель представляет собой кольцо из ферритового материала с особыми магнитными свойствами. Вокруг кольца намотано несколько витков проволоки

В блоке питания есть небольшая плата, на которой размещена схема управления. Эта плата сравнивает напряжение с эталонным, чтобы генерировать сигналы обратной связи. Она отслеживает вольтаж также для того, чтобы генерировать сигнал «питание в норме» (power good). Схема установлена на отдельной перпендикулярной плате, поэтому не занимает много места в БП.


Основные компоненты установлены на верхней стороне платы со сквозными отверстиями, а нижняя сторона покрыта крошечными SMD-компонентами, которые нанесены путём поверхностного монтажа. Обратите внимание на резисторы с нулевым сопротивлением в качестве перемычек

В БП есть ещё вторая цепь — для резервного питания

9

. Даже когда компьютер формально «выключен», пятивольтовый источник резервного питания обеспечивает ему мощность 10 Вт для функций, которые продолжают работать: часы реального времени, функция пробуждения по локальной сети и др. Цепь резервного питания является почти независимым БП: она использует отдельную управляющую микросхему, отдельный трансформатор и отдельные компоненты на вторичной стороне DC, но те же самые компоненты на основной стороне AC. Эта система гораздо меньшей мощности, поэтому в цепи трансформатор меньшего размера.


Чёрно-жёлтые трансформаторы: трансформатор для резервного питания находится слева, а основной трансформатор — справа. Перед ним установлена микросхема для управления резервным питанием. Большой цилиндрический конденсатор справа — компонент удвоителя напряжения. Белые капли — это силикон, который изолирует компоненты и удерживает их на месте

Блок питания ATX сложно устроен внутри, с множеством компонентов, от массивных индукторов и конденсаторов до крошечных компонентов поверхностного монтажа

10

. Однако эта сложность позволяет выпускать эффективные, маленькие и безопасные БП. Для сравнения, я когда-то писал о

блоке питания 1940-х годов

, который выдавал всего 85 ватт мощности, но был размером с чемодан, весил 50 кг и стоил сумасшедшие деньги. В наше время с продвинутыми полупроводниками делают гораздо более мощные БП дешевле 50 долларов, и такое устройство поместится у вас в руке.


Блок питания REC-30 для телетайпа Model 19 (ВМФ США) 1940-х годов

Я уже писал о БП, включая историю блоков питания в IEEE Spectrum. Вам также могут понравиться детальные разборы зарядного устройства Macbook и зарядного устройства iPhone.


1

Intel представила стандарт ATX для персональных компьютеров в 1995 году. Стандарт ATX (с некоторыми обновлениями) по-прежнему определяет конфигурацию материнской платы, корпуса и блока питания большинства настольных компьютеров. Здесь мы изучаем блок питания 2005 года, а современные БП более продвинутые и эффективные. Основные принципы те же, но есть некоторые изменения. Например, вместо магнитных усилителей почти везде используют преобразователи DC/DC.


Этикетка на блоке питания

На этикетке БП указано, что он изготовлен компанией Bestec для настольного компьютера Hewlett-Packard Dx5150. Этот БП слегка не соответствует формату ATX, он более вытянут в длину. [вернуться]

2 Вы можете задать вопрос, почему AC напряжением 230 В преобразуется в постоянный ток 320 В. Причина в том, что напряжение переменного тока обычно измеряется как среднеквадратичное, которое в каком-то смысле усредняет изменяющуюся форму волны. По факту в 230-вольтовом сигнале AC есть пики до 320 вольт. Конденсаторы БП заряжаются через диоды до пикового напряжения, поэтому постоянный ток составляет примерно 320 вольт (хотя немного провисает в течение цикла). [вернуться]

3 Силовой транзистор представляет собой силовой МОП-транзистор FQA9N90C. Он выдерживает 9 ампер и 900 вольт. [вернуться]

4 Интегральная схема питается от отдельной обмотки на трансформаторе, которая выдаёт 34 вольта для её работы. Налицо проблема курицы и яйца: управляющая микросхема создаёт импульсы для трансформатора, но трансформатор питает управляющую микросхему. Решение — специальная цепь запуска с резистором 100 kΩ между микросхемой и высоковольтным током. Она обеспечивает небольшой ток для запуска микросхемы. Как только чип начинает отправлять импульсы на трансформатор, то питается уже от него. [вернуться]

5 Метод использования одного контура регулирования для двух выходов называется перекрёстным регулированием. Если нагрузка на одном выходе намного выше другого, напряжения могут отклоняться от своих значений. Поэтому во многих БП есть минимальные требования к нагрузке на каждом выходе. Более продвинутые БП используют DC/DC преобразователи для всех выходов, чтобы контролировать точность напряжения. Дополнительные сведения о перекрёстном регулировании см. в этих двух презентациях. Один из обсуждаемых методов — многоуровневая укладка выходных обмоток, как в нашем БП. В частности, 12-вольтовый выход реализован в виде 7-вольтового выхода поверх 5-вольтового выхода, что даёт 12 вольт. При такой конфигурации ошибка 10% (например) в 12-вольтовой цепи будет составлять всего 0,7 В, а не 1,2 В. [вернуться]

6 Оптоизоляторы представляют собой компоненты PC817, которые обеспечивают 5000 вольт изоляции между сторонами БП (то есть между высокой и низкой сторонами). Обратите внимание на прорезь в печатной плате под оптоизоляторами. Это дополнительная мера безопасности: она гарантирует, что ток высокого напряжения не пройдёт между двумя сторонами оптоизолятора вдоль поверхности печатной платы, например, при наличии загрязнения или конденсата (в частности, прорезь увеличивает расстояние утечки). [вернуться]

7 Ширина импульса через магнитный усилитель устанавливается простой схемой управления. В обратной части каждого импульса индуктор частично размагничивается. Схема управления регулирует напряжение размагничивания. Более высокий вольтаж усиливает размагничивание. Тогда индуктору требуется больше времени для повторного намагничивания, и, таким образом, он дольше блокирует входной импульс. При более коротком импульсе в цепи выходное напряжение уменьшается. И наоборот, более низкое напряжение размагничивания приводит к меньшему размагничиванию, поэтому входной импульс блокируется не так долго. В итоге выходное напряжение регулируется изменением напряжения размагничивания. Обратите внимание, что ширина импульса в магнитном усилителе регулируется управляющей микросхемой. Магнитный усилитель сокращает эти импульсы по мере необходимости при регулировании выходного напряжения 3,3 В. [вернуться]

8 Плата управления содержит несколько микросхем, включая операционный усилитель LM358NA, чип супервизора/сброса TPS3510P, четырёхканальный дифференциальный компаратор LM339N и прецизионный эталон AZ431. Чип супервизора интересный — он специально разработан для БП и контролирует выходное напряжение, чтобы оно было не слишком высоким и не слишком низким. Прецизионный эталон AZ431 — это вариант эталонного чипа TL431, который часто используется в БП для обеспечения опорного (контрольного) напряжения. Я уже писал о TL431. [вернуться]

9 Источник резервного питания использует другую конфигурацию — обратноходовой трансформатор. Здесь установлена управляющая микросхема A6151 с переключающим транзистором, что упрощает конструкцию.


Схема БП с использованием A6151. Она взята из справочника, поэтому не идентична схеме нашего БП, хотя близка к ней
[вернуться]

10 Если хотите изучить подробные схемы различных БП формата ATX, рекомендую сайт Дэна Мельника. Удивительно, сколько существует реализаций БП: различные топологии (полумостовые или прямые), наличие или отсутствие преобразования коэффициента мощности (PFC), разнообразные системы управления, регулирования и мониторинга. Наш БП довольно похож на БП с прямой топологией без PFC, внизу той странички на сайте Дэна. [вернуться]



Импульсный блок питания или линейный

13-01-2013

Импульсный блок питания или линейный. История вопроса

Наверно ни для кого не секрет, что большинство специалистов, радиолюбителей и просто технически грамотных покупателей источников питания с опаской относятся к импульсным блокам питания, отдавая предпочтение линейным.

Причина проста и понятна. Репутация импульсных блоков питания серьезно подорвана еще в 80-х годах, во времена массовых отказов отечественных цветных телевизоров, низкокачественной импортной видеотехники, оснащенных первыми импульсными блоками питания.

Что мы имеем на сегодняшний день? Практически во всех современных телевизорах, видеоаппаратуре, бытовой технике, компьютерах используются импульсные блоки питания. Все меньше и меньше сфер применения линейных (аналоговых, параметрических) источников. Линейный источник электропитания сегодня в бытовой аппаратуре практически не найдёшь. А стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на бурный прогресс электроники, преодоление стереотипов происходит очень медленно.

Давайте попробуем объективно посмотреть на сегодняшнее положение и попробуем изменить мнение специалистов. Рассмотрим «стереотипные» и присущие импульсным блокам питания недостатки: сложность, ненадёжность, помехи.

Импульсный блок питания.  Стереотип «сложность»

Да, импульсные блоки питания сложные, точнее сказать сложнее аналоговых, но намного проще компьютера или телевизора. Вам не нужно разбираться в их схемотехнике, так же как и в схемотехнике цветного телевизора. Оставьте это профессионалам. Для профессионалов там нет ничего сложного.

Импульсный блок питания. Стереотип «ненадёжность»

Элементная база импульсного блока питания не стоит на месте. Современная комплектация, применяемая в импульсных блоках питания, позволяет сегодня с уверенностью сказать: ненадёжность – это миф. В основном надежность импульсного блока питания, как и любого другого оборудования, зависит от качества применяемой элементной базы. Чем дороже импульсный блок питания, тем дороже элементная база в нем. Высокая интеграция позволяет реализовать большое количество встроенных защит, которые порой недоступны в линейных источниках.

Импульсный блок питания. Стереотип «помехи»

В схемотехнике импульсных блоков питания заложено формирование мощных импульсов и затухающих колебаний в обмотках трансформатора. Эти коммутационные процессы предопределяют широкий спектр паразитного излучения.
Поэтому корпус и соединительные провода источника могут стать антенной для излучения радиопомех. Но если конструкция импульсного блока питания тщательно проработана, о помехах можно забыть. Кроме этого, благодаря современным технологиям импульсные блоки питания позволяют существенно сгладить пульсации сетевого напряжения.

А какие достоинства импульсного блока питания?

Импульсный блок питания. Высокий КПД

Высокий КПД (до 98%) импульсного блока питания связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом источнике это сетевой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В импульсном блоке питания  нет ни того ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора — ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии в импульсном блоке питания минимальны. КПД аналогового источника может быть порядка 50 %, то есть половина его энергии (и ваших денег) уходит на нагрев окружающего воздуха, проще говоря, улетают на ветер.

Импульсный блок питания. Небольшой вес

Импульсный блок питания имеет меньший вес за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса импульсного блока питания в разы меньше аналогового.

Импульсный блок питания. Меньшая стоимость

Спрос рождает предложение. Благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности сегодня мы имеем низкие цены силовой базы импульсных блоков питания. Чем больше выходная мощность, тем дешевле стоит источник по сравнению со стоимостью аналогичного линейного источника. Кроме того, главные компоненты аналогового источника (медь, железо трансформатора, радиаторы из алюминия) постоянно дорожают.

Импульсный блок питания. Надёжность

Вы не ослышались, надежность. На сегодняшний момент импульсные блоки питания надёжнее линейных за счет наличия в современных блоках питаниях встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например, от короткого замыкания, перегрузки, скачков напряжения, переполюсовки выходных цепей. Высокий КПД обуславливает меньшие теплопотери, что в свою очередь обуславливает меньший перегрев элементной базы импульсного блока питания, что так же является показателем надёжности.

Импульсный блок питания. Требования к сетевому напряжению

Что творится в отечественных электросетях, вы наверно знаете не понаслышке. 220 Вольт в розетке скорее редкость, чем норма. А импульсные блоки питания допускают широчайший диапазон питающего напряжения, недостижимого для линейного. Типовой нижний порог сетевого напряжения для импульсного блока питания — 90…110 В, любой аналоговый источник при таком напряжении в лучшем случае «сорвется в пульсации» или просто отключится.

Итак, импульсный или линейный? Выбор в любом случае за вами, мы лишь хотели помочь вам объективно взглянуть на импульсные блоки питания и сделать правильный выбор. Только не забывайте, что качественный источник – это источник сделанный профессионально, на базе качественных комплектующих. А качество это всегда цена. Бесплатный сыр только в мышеловке. Впрочем последняя фраза в равной мере относится  к любому источнику, и к импульсному и к аналоговому.

Читайте также по теме

Принцип работы импульсного блока питания

Как работают импульсные блоки питания

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

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

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

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

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

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

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

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

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

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

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

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

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты.

Этим он отличается от обычного трансформатора.

Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов.

Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока.

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

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

Использование импульсных блоков питания

В сети напряжение имеет синусоидальную форму.

Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение.

Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение.

Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.

Примеры импульсных блоков питания:

  • Зарядное устройство для телефона или смартфона;
  • Внешний блок питания ноутбука;
  • Блок питания компьютера;
  • Блок питания для светодиодной ленты.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Импульсный блок питания: что это такое, принцип работы, схема, назначение

Теория импульсных блоков питания

В обычных источниках питания изменение напряжения и гальваническая развязка выполнялись на трансформаторе со стальным сердечником, работающим на частоте 50 Гц, полупроводниковым выпрямителем и линейным стабилизатором напряжения.

Однако КПД этой схемы очень низкий (не превышает 50%), большая часть мощности преобразуется в тепло в трансформаторе, диоде и аналоговом стабилизаторе. Большая номинальная выходная мощность требует наличия сетевого трансформатора повышенного размера и большой потери тепла. Этого неудобства можно избежать, увеличив рабочую частоту до нескольких сотен кГц и заменив регулятор напряжения электронным ключом с интеллектуальным управлением. Их задача — преобразовать сетевое напряжение в постоянное, а затем в выпрямленное напряжение, выполняемое быстрым переключением транзисторов. В результате получается высокочастотное прямоугольное напряжение, которое преобразуется импульсным трансформатором и выпрямителем.

Стабилизация выходной мощности достигается изменением ширины импульса при постоянной частоте или включением переключения в определенные периоды времени в зависимости от нагрузки схемы. Наиболее важные преимущества SMPS, сравнимые с обычными блоками питания:

  • малый вес, уменьшенный объем, повышенная эффективность
  • малая емкость фильтрующих конденсаторов для высоких частот переключения
  • отсутствие слышимых помех из-за того, что частота переключения находится за пределами слышимого диапазона
  • простое управление различными выходными напряжениями
  • легко снижать высокое сетевое напряжение

С развитием мощных транзисторов с быстрой коммутацией для высоких частот, стало возможным использовать ИИП, работающие на частотах до 1 МГц. С помощью этого типа резонансных трансформаторов рабочие частоты могут быть увеличены даже до 3 МГц. Тем не менее, эти преимущества уменьшаются из-за нежелательного высокочастотного излучения, а также из-за более низкой скорости реакции на возможные изменения нагрузки.

Правда доступность новых магнитных материалов для трансформаторов, работающих в диапазоне частот примерно до 1 МГц, а также достижения в области источников питания стимулировали разработку новых высокочастотных сердечников трансформаторов.

Эта тенденция привела к разработке новых ферритов Mn-Zn с очень мелкой структурой зерен и материалов с уменьшенными гистерезисными потерями, что позволяет передавать мощность в диапазоне от 1 до 3 МГц. Высокие рабочие частоты приводят к дальнейшему уменьшению размеров ядер и, следовательно, всего блока питания. Новый принцип конструкции в планарной технологии позволяет изготавливать высокочастотные трансформаторы с кардинально уменьшенными размерами (плоские трансформаторы, низкопрофильные трансформаторы). Эта технология оказывает сильное влияние на разработку преобразователей постоянного и переменного тока, а также на производство гибридных импульсных источников питания.

Но вернёмся к теории. Импульсный источник питания работает контролируя среднее напряжение, подаваемое на нагрузку. Это делается путем размыкания и замыкания переключателя (обычно мощного полевого транзистора) на высокой частоте. Система более известна как широтно-импульсная модуляция — ШИМ. Схема ШИМ — самая важная, которая отличает этот тип блока питания, поэтому стоит вспомнить хотя бы само название.

На приведенной диаграмме показаны идеи, лежащие в основе работы ШИМ, и ее довольно просто понять: V = напряжение, T = период, t (вкл.) = длительность импульса. Среднее напряжение приложенное к нагрузке, можно объяснить следующей формулой:

Vo (av) = (t (on) / T) x Vi

Импульсы следуют друг за другом быстро (это порядка многих кГц, то есть тысячи раз в секунду), и для того, чтобы нагрузка не видела внезапных импульсов, необходимы конденсаторы, обеспечивающие относительно постоянный уровень напряжения. Уменьшение времени t (on) вызывает уменьшение среднего значения выходного напряжения Vo (av) и наоборот — увеличение длительности высокого вольтажного состояния t (on) увеличивает выходное напряжение Vo (av).

Предположим, что импульсный блок питания подает напряжение +12 В на нагрузку 6 А. Теперь, когда ток нагрузки внезапно повышается до 8 А, напряжение автоматически снижается до + 10,6 В. За доли секунды обратная связь, отправленная в схему ШИМ, заметит падение напряжения и включит полевой МОП-транзистор на более длительный период времени t (on). Благодаря этому схема может передавать больше мощности и восстанавливать выходное значение напряжения до +12 В.

Частота, с которой работает ШИМ, обычно находится в диапазоне от 30 кГц до 150 кГц, но может быть намного выше.

Принцип действия ИИП и его устройство

Импульсный источник питания — это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты. В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора.

Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением. Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц. Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

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

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

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания. Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

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

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

A — входной выпрямитель. Могут применяться полумостовые и мостовые схемы. Ниже расположен входной фильтр, имеющий индуктивность;
B — входные с довольно большой емкостью сглаживающие конденсаторы. Правее установлен радиатор высоковольтных транзисторов;
C — импульсный трансформатор. Правее смонтирован радиатор низковольтных диодов;
D — катушка выходного фильтра, то есть дроссель групповой стабилизации;
E — конденсаторы выходного фильтра.
Катушка и большой жёлтый конденсатор, находящиеся ниже E, являются компонентами дополнительного входного фильтра, установленного непосредственно на разъёме питания, и не являющегося фрагментом основной печатной платы.

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

Отличие от трансформатора

Понять, как работает трансформаторный блок питания несложно:

  1. Ток попадает на катушку трансформатора, где, в зависимости от назначения БП, повышается или понижается напряжение, при этом оставаясь переменным.
  2. Затем идет диодный мост – преобразователь. Его задача инвертировать переменное напряжение в постоянное.
  3. Последний блок – конденсатор, который сглаживает импульсы.

Минусов у такого БП несколько:

  1. Больший размер. В этой схеме питания не предусмотрен стабилизатор (за исключением выходного конденсатора).
  2. Стабилизация трансформаторов крайне сомнительная. Они чаще пропускают скачки, из-за чего возможна поломка техники.

В импульсных блоках питания принцип работы несколько другой: генератор создает собственный такт, который стабилизирует вольтаж. Возможно использовать миниатюрные трансформаторы, при этом не теряя мощности. Используются ключевые элементы стабилизации.

Виды и принцип работы импульсных источников питания

Основной принцип работы импульсного источника питания (ИИП) состоит в том, что постоянное напряжение (выпрямленное сетевое или от стороннего источника) преобразовывается в импульсное частотой до сотен килогерц. За счет этого намоточные детали (трансформаторы, дроссели) получаются легкими и компактными.

Принципиально ИИП делятся на две категории:

  • с импульсным трансформатором;
  • с накопительной индуктивностью (она также может иметь вторичные обмотки)

Первые подобны обычным трансформаторным сетевым блокам питания, выходное напряжение у них регулируется изменением среднего тока через обмотку трансформатора. Вторые работают по другому принципу – у них регулируется изменением количества накопленной энергии.

По другим признакам ИИП можно разделить на нестабилизированные и стабилизированные, однополярные и двухполярные и т.п. Эти особенности не носят столь принципиального характера.

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

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

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

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

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

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

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

Обратноходовой импульсный источник питания

Блок питания для шуруповерта 12в своими руками

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

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

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

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

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

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

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Преимущества и недостатки ИБП

Конечно, как и любое другое электронное устройство, подобный блок питания имеет как свои достоинства, так и недостатки. Конечно, т.к. этот БП является более высокотехнологичным прибором, положительных качеств в нем намного больше, чем отрицательных, но все же есть необходимость объективного рассмотрения, а потому умалчивать о минусах тоже не стоит. Но все же, для начала перечислим плюсы, а после будем разбирать их подробнее.

Основными и несомненными достоинствами импульсного блока питания являются:

  • более легкий вес;
  • высокий коэффициент полезного действия;
  • низкая цена;
  • широкий диапазон токов;
  • присутствие защиты от различных факторов.

Ну а теперь остановимся на каждом из пунктов подробнее.

Преимущества

  1. Малый вес и габариты достигаются за счет импульсной технологии, повышения частоты тока, а значит и уменьшения трансформаторных установок. В ИИП не требуется крупногабаритных радиаторов и обмоток. Также сокращена и емкость конденсаторов. К тому же схема выпрямления упрощается до элементарной — однополупериодной.
  2. Естественно, что у трансформаторных блоков питания большая часть энергии уходит на прогрев, в результате чего падает КПД. У импульсных БП незначительная часть этой энергии теряется на каскадах силовых ключей. После уже все транзисторы стабильны, а потому коэффициент полезного действия у таких БП может достигать 97%.
  3. Стоимость этих устройств снижается за счет расширения производства элементов для сборки подобной схемы. Они и непосредственно после появления на рынке стоили немного, а сейчас, когда ими насыщены все области продаж, их стоимость падает все ниже. Можно добавить, что и полупроводники возможно использовать менее мощные благодаря управляемым ключам.
  4. Широкий диапазон достигается как раз благодаря импульсным технологиям. Допускается питание разной частоты и амплитуды, что не может не сказаться и на расширении областей их применения.
  5. На основании того, что модули полупроводников достаточно малы, появляется возможность встраивания дополнительных блоков защиты (от короткого замыкания, перегрева, перегрузки и т.п.).

Недостатки

Если разговор зашел о плюсах, то не стоит оставлять без внимания и минусы, хотя их и ничтожно мало. Основным недочетом в работе импульсных блоков питания можно назвать высокочастотные помехи. Они естественны, т.к. само устройство работает именно на них. Как раз по этой причине используется различное шумоподавление, которое, впрочем, до конца проблему не решает.

А потому подобные ИБП не используются на некоторых высокоточных измерительных приборах.

Еще одним недостатком можно назвать некорректную работу на сверхнизких и сверхвысоких частотах — такие «стрессовые» токи могут либо вывести прибор из строя, либо на выходе он будет выдавать искаженное напряжение, не соответствующее заявленным техническим характеристикам.

Схемы и изготовление импульсных блоков питания

Импульсные блоки питания собираются на различной элементной базе. Обычно для построения ИИП применяются специализированные микросхемы, специально разработанные для создания таких устройств. За исключением самых простых блоков.

Мощный импульсный блок на ir2153

Несложные блоки питания можно строить на микросхеме IR2153. Она представляет собой мощный интегральный драйвер с таймером, подобным NE555. Частота генерации задается внешними элементами. Входов для организации обратной связи микросхема не имеет, поэтому стабилизацию тока и напряжения методом ШИМ не получить.


Расположение выводов микросхемы IR2153.

Назначение выводов приведено в таблице.


Внутренняя схема IR2153.

Для наилучшего понимания работы и назначения выводов лучше изучить внутреннюю схему. Основной момент, на который надо обратить внимание – выходные ключи собраны по полумостовой схеме.

На этой микросхеме можно собрать простой блок питания.


Схема простого БП на IR2153.

Питается IR2153 от 220 вольт через гасящий резистор R1, выпрямитель на диоде VD3, фильтр на С4. Частота генерации задается элементами С5, R2 (с указанными на схеме номиналами получается около 47 кГц). Трансформатор можно посчитать программой. В авторском варианте использовался силовой трансформатор от компьютерного БП. Штатные обмотки удалены, первичка намотана в две жилы проводом в эмалевой изоляции диаметром 0,6 мм.

Обмотка содержит 38 витков. Слои проложены изолентой. Вторичка из скрутки в 7 жил тем же проводом, для получения 24В вольт надо 7-8 витков, для другого напряжения пересчитать пропорционально.

Конструкция простого БП.

Остальные элементы схемы отдельных пояснений не требуют. Детали размещены на печатной плате, транзисторы закреплены на радиаторе.


БП с защитой от превышения тока.

Более сложная схема — с защитой транзисторов от сверхтока. Измерение организовано на трансформаторе TV1. Он мотается на ферритовом кольце диаметром 12..16 мм. Вторичная обмотка содержит 50..60 витков в два провода диаметром 0,1..0,15 мм. Потом начало одной обмотки соединяется с концом второй. Первичная обмотка содержит 1..2 витка. Уровень срабатывания защиты регулируется потенциометром R13. При превышении установленного лимита срабатывает тиристор VD4 и шунтирует стабилитрон VD3. Напряжение питания микросхемы уменьшается почти до нуля.

В схеме БП предусмотрен мягкий старт. Если генерация началась, импульсы с вывода 6 через делитель R8R9 и конденсатор С8 выпрямляются. Постоянное напряжение заряжает С7 и открывает транзистор VT1. Конденсатор С3 подключается к частотозадающей цепочке и частота генератора микросхемы снижается до рабочей частоты.

Можно ли сделать импульсный блок питания своими руками?

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

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

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

Как собрать: пошаговая инструкция

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

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

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

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

Мнение эксперта Алексей Бартош Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники. Задать вопрос Внимание! Между половинками магнитного сердечника должен присутствовать небольшой немагнитный зазор. Обычно он уже есть на сердечниках, взятых с трансформаторов зарядных устройств смартфонов. Если его нет, положите слой бумаги между половинками сердечника.

Готовый трансформатор стягиваем изолентой или скотчем.

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

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

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

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

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

На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превысит 16,3 В открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и закорачивает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, и конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на С6 становится меньше 16,3 вольт, стабилитрон D9 закрывается и закрывает Т2. Благодаря этому Т1 открывается и работа генератора возобновляется.

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

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

Рассмотрим импульсный БП с выходной мощностью 300 Вт.

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

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

Проверка конструкции

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

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

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

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

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

Сфера применения ИБП

Эра классических трансформаторных БП уходит в небытие. Импульсные преобразователи на основе полупроводниковых стабилизаторов повсеместно их вытесняют, поскольку при тех же значениях выходной мощности характеризуются гораздо меньшими весогабаритными показателями, они надёжнее аналоговых оппонентов и обладают намного более высоким КПД, позволяя снизить тепловые потери. Наконец, ИБП могут функционировать с входным напряжением в обширном диапазоне значений. Импульсный блок такого же размера, как трансформаторный, обладает в разы большей мощностью.

В настоящее время в сферах, требующих преобразования переменного напряжения в постоянное, используются практически только импульсные инверторы, при этом они могут обеспечить и повышение напряжения, что недоступно для классических аналоговых блоков. Ещё одним достоинством ИБП является способность обеспечить смену полярности выходного напряжения. Работа на высоких частотах облегчает функцию стабилизации/фильтрации выходных импульсов.

Малогабаритные инверторы, построенные на специализированных микросхемах, являются основой зарядных устройств всевозможных мобильных гаджетов, а надёжность их такова, что срок службы существенно превышает ресурс мобильных устройств. О компьютерных блоках питания мы уже упоминали. Отметим, что принцип работы ИБП используется в 12-вольтовых драйверах питания светодиодов.

Источники

  • https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim/impulsnye_bloki_pitanija_smps/5-1-0-1603
  • https://amperof.ru/elektropribory/impulsnyj-blok-pitaniya.html
  • https://electrono.ru/%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B5-%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D0%B1%D0%BB%D0%BE%D0%BA-%D0%BF%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D0%B8%D0%B1%D0%BF
  • https://Zapitka.ru/masterskaya/impulsnyy-blok-pitaniya-svoimi-rukami
  • https://crast.ru/instrumenty/kak-rabotaet-impulsnyj-blok-pitanija-dlja
  • https://Acums.ru/bespereboyniki-i-bloki-pitaniya/impulsniy-svoimi-rukami-luchshie-prostye-i-slozhnye-skhemy-i-sborki
  • https://nastroyvse.ru/devices/raznoe/kak-rabotaet-impulsnyj-blok-pitaniya.html

Как вам статья?

Мне нравится5Не нравится5

Блоки питания импульсные. Важно знать

В этой статье мы попробуем представить достоинства импульсных блоков питания, так сказать, вообще, в принципе. Это значит, что по определённому набору характеристик, как это будет показано дальше, этот тип вторичного питания имеет ряд несомненных преимуществ. Например, в отношении трансформаторного типа блока питания, отчего он и пользуется заслуженной популярностью. Однако! Это не значит, что импульсный блок питания (ИБП) панацея на все случаи жизни и может во всём заменить альтернативные приборы.

Вначале, о блоках питания вообще. Эти устройства предназначены для преобразования энергии первичных (других) источников питания, чтобы обеспечивать работу различных приборов. Они преобразуют напряжение, ток и другие параметры, которые потребляет данное устройство. Так, они могут стабилизировать, регулировать, управлять и т.д. Сами блоки питания бывают интегрированными и не интегрированными.

Ну, а теперь, собственно, об импульсных блоках питания.

Вкратце, как работает ИБП?

Импульсный блок питания — это инверторная система, т.е. когда постоянный ток преобразуется в переменный. При этом происходит изменение величины частоты или напряжения, либо, и того и другого вместе. Есть ИБП, работающие с гальванической развязкой (бесконтактное управление). Есть варианты где применяются малогабаритные трансформаторы. И это имеет своё объяснение, так как, чем выше частота, тем выше эффективность работы трансформатора, при этом требования к размеру сердечника уменьшаются, а мощность достигается сопоставимая. Стабилизция ИБГ осуществляется за счёт отрицательной обратной связи.

Преимуществ ИБП наберётся немало, поэтому мы их будем нумеровать для чёткости восприятия.

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.

Сказали «за», нельзя не сказать и «против». А то как – то идеально получается.

Где ИБП не так сильны?

В частности, они «плохо переносят» понижение мощности нагрузки. Могут просто не запуститься. Или, параметры выходных напряжений могут выходить за допустимые нормы. Далее, и это хорошо известный факт, импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех. Хотя, считается, что в хорошо проработанных схемах, этот недостаток существенно нивелируется. ( Но, думается, что в приборах, где принципиально важно отсутствие помех, будет использована альтернатива). И, наконец, если в работе прибора от сети не предусмотрена гальваническая развязка, то это затрудняет последующий его ремонт.

Теперь, если вы решили купить импульсный блок питания, вы знаете, с чем будете иметь дело.

Как устроен импульсный блок питания

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.

Мы имеем множество различных устройств, подключая которые к сети мы даже не задумываемся о том, какое питание им необходимо. Значительная часть бытовой техники имеет импульсный блок питания. Даже светодиодные или люминесцентные цокольные лампы имеют встроенный источник импульсного питания (ИИП).

Что делает импульсный блок питания (ИБП)

В сети напряжение имеет синусоидальную форму. Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение. Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение. Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.

Примеры импульсных блоков питания:

  • Зарядное устройство для телефона или смартфона;
  • Внешний блок питания ноутбука;
  • Блок питания компьютера;
  • Блок питания для светодиодной ленты.

Импульсный блок питания Robiton EN5000S. Предназначен для питания от источника переменного тока 100-240В приборов с напряжением 6,0 / 7,5 / 9,0 / 12,0 / 13,5 / 15 / 16В и максимальным входным током 5000 мА

Есть импульсные источники питания выдающие постоянное напряжение одного номинала. Наиболее распространенные на — 5 В, 12 В или 24 В. Есть устройства, выдающие сразу несколько уровней. Такие, например, стоят в компьютерах. На выходе они формируют сразу 5 В и 12 В. Есть — регулируемые ИИП, при помощи переключателей в них можно задавать выходные параметры (в определенных рамках). Импульсный блок питания может быть в виде отдельного устройства или являться частью какого-то более сложного прибора.

Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи источника импульсного питания

Если говорить об отдельных ИБП, то самыми распространенными, пожалуй, являются зарядные устройства для телефонов, ноутбуков. Они имеют компактные размеры, так как требуется небольшая мощность. Встроенный импульсный блок питания есть в телевизорах, компьютерах и другой сложной электронике, в некоторых бытовых приборах. Блоки питания бывают линейные (трансформаторные) или импульсные (инверторные).

Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Оба типа блоков питания преобразуют синусоиду в постоянный ток, но вот путь преобразования разный, да и результаты несколько отличаются. Импульсный блок питания отличается высокой стабильностью работы. Тем не менее трансформаторные источники еще в ходу. Почему? Стоит разобраться.

Чем отличается от трансформаторного блока питания

И трансформаторный (линейный) и импульсный (инверторный) БП выдают на выходе постоянное напряжение. Причем вторые имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто ниже по цене, да еще и напряжение дают более «качественное» и независящее от параметров исходной синусоиды (а она далеко не идеальная в наших сетях). Так почему же используют и трансформаторные блоки, и импульсные? Чтобы понять, надо знать в чем отличие трансформаторного блока питания от импульсного. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. На основании этого можно уяснить основные свойства.

Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания

Как работает трансформаторный блок питания

В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе. Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение.

Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты. Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Сетевой фильтр в дешевых моделях стоит не всегда, и в этом зачастую кроется проблема с нестабильной работой каких-то устройств, которые мы часто списываем на «падение напряжения в сети».

Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность. Их параметры (частота и скважность) задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей.

Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках

Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети. Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин (в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали).

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения. Для наших сетей это актуально. Но не только это. Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно.

Размер тоже имеет значение

Кроме того импульсники имеют высокий КПД — до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны. При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей.

Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи. Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Схемы импульсных блоков питания

Чтобы понимать, как работает импульсный блок питания, надо разобраться в том, что происходит в каждой его части. Сделать это проще по схемам. Мы приведем только некоторые, так как вариантов и вариаций — море. Схема импульсного блока питания содержит пять обязательных блоков плюс обратная связь. Вот о каждом элементе и поговорим отдельно, Попутно приведем полные схемы ИБП с использованием различной элементной базы.

Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности

Входной фильтр

Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель, который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.

Схема простейшего входного фильтра

Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения (до 2,5 кВ), гася тем самым помехи между фазой и нейтралью (противофазные помехи). Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех.

Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа (которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ). Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.

Оба типа конденсаторов (X и Y), который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости (по сравнению с обычными).

Схема для компенсации всех типов помех

Но для корректной работы этой схемы необходимо рабочее заземление. Его надо подключить к корпусу блока питания. Без заземления, корпус блока питания будет находиться под напряжением около 110 В. Ток будет очень маленьким, но прикосновения будут ощутимы.

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

Как уже сказано выше, выпрямитель проводит предварительное выпрямление синусоиды. Если установлен один диод, он отсекает нижние (отрицательные) полуволны.

Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода низкий КПД и большая пульсация выпрямленного напряжения. По этим причинам предпочтительней мостовая схема на четырех диодах

В самом простом случае выпрямитель — диод Шоттки, но может использоваться и диодный мост с параллельно подключенным конденсатором. Для диодных мостов часто применяют обычные диоды типа 1N4007, но лучше все-таки устанавливать все те же диоды Шоттки. Они «быстрее», так что можно получить лучше результаты на выходе.

Несколько схем фильтров разной степени сложности

Один диод ставят в блоках питания к недорогой технике. На его выходе напряжение имеет вид идущих с некоторыми промежутками положительных полуволн. На выходе диодного моста пульсации намного ниже, так что такой выпрямитель ставят для более требовательных к питанию приборов. Пульсирующее напряжение с выхода диода/диодного моста подается на конденсатор (он должен быть рассчитан на напряжение 270-400 В), который из полуволн делает «зубчики». Тут уже получаем более-менее стабильное постоянное напряжение.

Инвертор или блок ключей

На следующем блоке выпрямленное напряжение преобразуется в импульсы. Частота импульсов высокая — от 10 до 50 кГц. Есть два способа реализации этих блоков: при помощи микросхем, на основе автогенератора (блокинг-генератора).

Еще одна блок-схема ИИП

Во втором случае используется пара транзисторов, которые включаются попеременно, формируя на выходе последовательность импульсов. Частота переключений задается генератором. Такие схемы встречаются и сейчас, но большинство реализуется на микросхемах.

Пример схемы инвертора на транзисторах

Если есть микросхема, зачем городить огород из нескольких десятков деталей. Тем более, что требуемый тип микросхем широко распространен и стоит немного. Это так называемые ШИМ-контроллеры ( TL494, UC384х, Dh421, TL431, IR2151, IR2153 и др). К этим микросхемам надо добавить всего-лишь пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получим требуемый инвертор.

Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей

ШИМ-контроллер отлично встраивается в любой тип схем. Он совместим с обратноходовыми, полумостовыми и мостовыми схемами выпрямителей. Естественно, отличается количество элементов, но все они простые и доступные.В обратноходовых схемах транзисторы должны быть рассчитаны на более высокое напряжение, чем подается на вход.

Устройство импульсного источника напряжения с ШИМ контроллером и двухтактным и мостовым выпрямителем

По полумостовым схемам построены импульсные блоки питания в осветительных приборах, в энергосберегающих и светодиодных лампах, электронный балласт для люминисцентных ламп (ЭПРА). Мостовые схемы применяют в более мощных блоках. Например, в сварочных инверторах.

Есть и более «серьезные» контроллеры, которые параллельно с работой, проверяют параметры входного и выходного напряжения и, при неисправностях, просто блокируют свою работу. Так как в импульсном блоке питания этот компонент, обычно, самый дорогой, это очень неплохо. Заменив неисправные детали (обычно резисторы или конденсаторы), получаем рабочий агрегат.

Силовой трансформатор

Узел трансформатора на блоке питания является одним из самых стабильных. В этом блоке, кроме самого трансформатора, содержится небольшая группа элементов которая нейтрализует выброс тока, который возникает на обмотках трансформатора при смене полярностей. Эта группа называется «снаббер».

Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер — зеленым

Трансформатор — один из самых надежных элементов. В нем очень редко возникают проблемы. Он может повредиться при пробое инвертора. В этом случае через обмотку течет слишком высокий ток, который и выводит из строя трансформатор.

Схема блока силового трансформатора для ИИП

Работает все это следующим образом:

  • На первом такте работы импульсного источника питания открыт ключ ВТ1 (полевой транзистор с индуцированным каналом n-типа). Ток течет через первичную обмотку трансформатора, заряд накапливается в сердечнике.
  • На втором такте ключ закрывается, ток течет во вторичной обмотке через диод VD2.
  • При переключении на первичной обмотке возникает выброс, который вызван неидеальностью деталей. Тут в работу вступает снаббер. Его задача поглотить этот выброс, так как напряжение может быть достаточно большим и может повредить ключевой транзистор, что приведет к неработоспособности схемы. Ток выброса течет через первичную обмотку трансформатора, диод VD1, через сопротивление R1 и емкость C2.
  • Далее полярность снова меняется, вступает в работу ключ ВТ1.

Номиналы выбираются исходя из параметров трансформатора. Подбор сложный, так что описывать его не имеет смысла. И еще: не во всех схемах есть снаббер, но его наличие увеличивает надежность и стабильность работы импульсного источника питания.

Несколько слов о диодах, которые используют в снабберах. Это может быть обычный диод, подобранный по параметрам, но более надежны схемы со стабилитроном. Еще может быть вариант без резистора и емкости, но с включенным навстречу супрессором (на схеме ниже).

Еще один вариант блока силового трансформатора с использованием супрессора (защитного диода) D1

Супрессор — это защитный диод, принцип работы похож на стабилитрон, вот только выравнивается импульсный ток и рассеиваемая мощность. Может быть несимметричный и симметричным.

Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

На этом, можно считать со схемой импульсного блока питания разобрались, так как выходные выпрямитель и фильтр устроены по тому же принципу. Элементы могут быть другие, а схемы те же. Единственное, что еще стоит рассмотреть — стабилизация выходных параметров. Это опционная часть, но такой импульсный блок питания более надежен.

Наиболее простой и дешевый способ стабилизации используется в дешевых блоках питания — обратная связь на пассивных элементах. На схеме ниже, это два резистора R6 и R7, подключенные к вспомогательной обмотке силового трансформатора. Не слишком надежно, потому что есть влияние между обмотками, но просто и недорого.

Простой способ стабилизации

Второй вариант стабилизатора выходного напряжения сделан на стабилизаторе VD9 и оптроне HL1. Выходное напряжение складывается из падения на стабилитроне и напряжения на оптроне. Это чуть более надежная схема для ИИП средней мощности.

Стабилизация выхода ИИП при помощи стабилитрона и оптрона

Наиболее стабильные выходные показатели имеют схемы ИИП со стабилизатором TL431.

TL431 — интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА.

ИБП с использованием микросхемы TL431 более сложные, но надежные. В таких схемах может быть подстроечный переменный резистор, который позволяет изменять выходное напряжение в небольших пределах. Обычно подстройка составляет не более 20%, так как в противном случае схема может быть нестабильной.

Схема со стабильным напряжением на выходе

Если подстройка выходного напряжения не нужна, лучше подстроечный резистор заменить обычным, так как переменные менее надежны.

Пару слов о резисторе R20 (см. схему выше), который стоит на выходе. Это так называемый, нагрузочный резистор. Как известно ИИП не будет работать без нагрузки. Поэтому на выходе и ставят сопротивление, которое обеспечивает минимальную рабочую нагрузку. Но это решение неидеально, так как резистор греется и порой очень сильно. Располагать рядом конденсаторы крайне нежелательно, иначе подогреваются и они. А в качестве выходного сопротивления должны стоять высокоточные резисторы, так как они при нагреве мало меняют свои параметры (блок выдает стабильное напряжение даже при длительной работе).

Принцип работы импульсного блока питания

Один из самых важных блоков персонального компьютера – это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 – 60 герц. Импортные блоки на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).

Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).

Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).

Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление – преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.

Как говорится: «No comment «.

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 («230/115»). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110. 127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220. 230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост. При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180. 220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов «моста» (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни ! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!

Импульсные источники питания… — Delta

Фирма не работает


дата:

2021-12-25

2022-01-01

Группа продуктов


Язык:
БългарскиČeskýDanskDeutschEestiΕλληνικάEnglishEspañolFrançaisItalianoLatviešu Lietuvių MagyarNederlandsNorskPolskiPortuguêsPусскийRomânăSlovenskiSlovenskýSuomiSvenska

Валюта:
1 AUD — 2.8295 PLN1 BGN — 2.2887 PLN1 CAD — 3.0549 PLN1 CHF — 4.2916 PLN1 CZK — 0.1774 PLN1 DKK — 0.6020 PLN1 EUR — 4.4764 PLN1 GBP — 5.2708 PLN100 HUF — 1.2118 PLN1 NOK — 0.4463 PLN1 PLN — 1.0000 PLN1 SEK — 0.4331 PLN1 USD — 4.0082 PLN

Меню




Рекомендованная статья

Затухание кабеля на расстоянии 100 м

Бюллетень E-mail


TopТехнический словарьИмпульсные источники питания „SMPS” (Switched Mode Power Supplies)

Импульсные источники питания практически вытеснили с рынка традиционные линейные источники питания и в настоящее время являются самой популярной и самой большой группой источников питания. Их преимуществом, по сравнению с линейными источниками питания, являются небольшие размеры, малый вес, высокая эффективность и производительность, а также хорошая цена. Минусом является сложность конструкции, а также более высокий уровень шума, генерируемого источником питания и повышенный уровень шума на выходе.

 

Наиболее распространенные типы импульсных источников питания:

 

A — рабочий стол

B — модульные

C — Индикатор

D — вставной

E — на рейке DIN

Основной принцип действия импульсного источника питания 

В импульсных источниках питания используются широтно-импульсные модуляции PWM (Pulse Width Modulation), то-есть выходное напряжение источника питания регулируется путем изменения коэффициента заполнения при постоянной, неизменной частоте.

 

На приведенном ниже рисунке показан принцип действия PWM.

 

U — напряжение

t — время

Uin — входное напряжение

Uout — исходное напряжение

T — период ( количество периодов в секунду — это частота, выраженная в Гц, КГц или МГц )

t1 — длительность импульса (высокое состояние)

t2 — нет импульса

Укорочение длительности импульса (t1 )приводит к уменьшению среднего значения выходного напряжения (Uout) и наоборот: расширение длительности импульса (t1) приводит к увеличению среднего выходного напряжения (Uout). Это можно видеть на графиках выше:

  • слева — небольшой коэффициент заполнения — ниже значение выходного напряжения Uout,
  • правой — большой коэффициент заполнения — выше значение выходного напряжения Uout
  • Среднее значение выходного напряжения можно рассчитать по следующей формуле:

     

    Диаграмма и описание, показывающие принцип действия источника питания:

     

    1 — входное переменное напряжение

    2 — предохранитель

    3 — входной фильтр

    4 — выпрямитель в виде моста Graetza

    5 — транзистор манипуляций

    6 — контролер PWM

    7 — оптоизолятор (гальваническая изоляция)

    8 — импульсный трансформатор

    9 — выпрямитель

    10 — выходной фильтр

    11 — выходное постоянное напряжение

    Переменное напряжение сети, например, 230V(1) проходит через входной фильтр с элементами LC (3). Это очень важный элемент, который защищает энергосеть от сбоев, возникающих в подаче питания и защищает источник питания от помех, поступающих из энергосистемы. Напряжение переменного тока выпрямляется с помощью мостового выпрямителя (4) и после выпрямления напряжение постоянного тока достигает трансформатора (8), корорый манипулируется транзистором (5) иногда называемого переключатель. Транзистор включает и выключает ток квадратной волны с определенной частотой (возможный диапазон от 20 кГц до нескольких сотен кГц или даже МГц) и использованием широтно-импульсной модуляции PWM. Транзистор управляется схемой обратной связи (6,7), которая состоит из оптрона и контролера (драйвера) PWM. Система проверяет, каким является выходное напряжение и, в зависимости от того, повышается ли, уменьшается, изменяет длительность импульса (заливки), управляет транзистором и регулирует таким образом, чтобы на выходе всегда было постоянное напряжение. Эта система, проверяя напряжение на выходе, работает на высокой скорости, что позволянет сохранять постоянное выходное напряжение и в меру, если растет или уменьшается, немедленно исправляет изменения, чтобы удерживать его на постоянном уровне. Прямоугольное напряжение на выходе трансформатора (8) выпрямляется (9), а затем проходит через выходной фильтр (10), который должен «заблокировать» высшие гармоники и искажения, порожденные работой инвертора. На выходе (11) импульсного источника питания получаем стабилизированное постоянное напряжение.

     

    Некоторые предложения, на какие параметры следует обратить внимание при выборе импульсного источника питания. 

    Входное напряжение (Input Voltage) 

    В Польше и Европейском Союзе напряжение в энергосети составляет 230 В переменного тока (исключением является Великобритания — 240 В переменного тока). Стандарты позволяют отклонение 10%, то есть напряжение питания может находиться в диапазоне от 207 В до 253 В переменного тока. Так что стоит выбрать источник птания с широким диапазоном входного напряжения, например, 100 — 264 В переменного тока.

     

    Пусковой ток (Max Inrush Current) 

    После включения источника питания, появляется большой импульс тока, который может достигать высоких значений в зависимости от мощности источника питания, порядка несколько десятков амперов, продолжительностью до 1 периода или при частоте 50 Гц переменного тока до 20мс. Это явление вызвано зарядкой входных конденсаторов. Это может быть проблемой, например, при одновременном включении нескольких источников питания или использовании источника питания с более высокой мощностью. Большой пусковой ток может вызвать отключение защиты в энергосети ( предохранителей, силовых выключателей и т д.) Выходом из этой ситуации является замена предохранителей от перегрузки по току на тип С или D.

     

    Эффективность (Efficiency) 

    Это отношение постоянного выходного тока ( отданного источником питания) к входной мощности переменного тока (побранной из сети), выраженное в процентах.

     

    Эффективность обозначается буквой греческого алфавита «эта» η. В каждом устройстве, преобразовывающим энергию, часть потребляемой мощности идет на потери и именно эффективность позволяет оценить потери мощеости. На этот параметр следует обратить внимание, так как чем выше эффективность, тем меньше потери энергии, в результате чего внутри источника питания будет ниже температура, а это приводит к повышению надежности и увеличению срока службы устройства. В настоящее время производимые импульсные источники достигают даже > 90% ККД (силовые трансформаторы/линии имеют низкую эффективность использования энергии, не превышающую 50%).

     

    Формула для эффективности:

     

    η – эффективность, выраженная в процентах

    Pout – выходная мощность

    Pin — входная мощность

    Пример 1.
    Имеем источник питания с выходной мощностью 100 W, который берет из энергосети 117,6 W. Вычислим его эффективность.

     

    Наиболее часто в данных источника питания подается выходная мощность и КПД. Производители в спецификации не указывают сколько берет мощности источнитк питания. Можем это легко вычислить, подставляя значения из переделанного рисунка.

     

    Пример 2.
    Имеем источник питания с выходной мощностью 150 W и КПД 86%. Вычислим, какая мощность черпается из энергосети

     

    Также легко можем вычислить, сколько энергии теряется на тепло в этом блоке питания (Pd – moc strat), используя простую формулу (вычесть от побранной мощности отданную мощность).

     

    В этом случае 24,4 W теряется на тепло, конечно, при полной загрузке. Те 24,4 W повышают температуру внутри корпуса и нагревают внутренние компоненты.

     

    MTBF — среднее время между неисправностями (Mean Time Between Failure) 

    Выражается в часах и это информация о надежности устройства.

     

    Очень часто этот параметр неправильно интерпретирован. Например, MTBF источника питания выносит 700 000 часов или почти 80 лет. Это не означает, что блок питания будет безупречно работать все это время.

     

    Пути и методы расчета MTBF были введены американскими военными в 1965г. вместе с публикацией модели MIL-HDBK-217. Она включает в себя частоту аварий для различных электронных компонентов ( конденсаторов, резисторов, транзисторов). В этой модели опубликованы методы расчета аварийности. Это должно было служить стандартизации оценки надежности электронных устройств и военной техники.

     

    Кроме модели MIL-HDBK-217, используются также другие способы расчетов параметра MTBF, которые могут встретиться в технической спецификации электронных устройств. Все модели имеют различные алгоритмы для расчета надежности. Примерные методы: HRD5, Telcordia, RBD, модель Маркова, FVEA/FMECA, дерево повреждений, HALT.

     

    Зная время MTBF, можем вычислить вероятность повреждения устройства до того, когда истечет время наработки на отказ. Это очень полезная информация, которая позволит оценить отказ системы. Как правило, все просто: чем выше MTBF, тем более надежное устройство.

     

    Помните, что всегда MTBF- это время, по истечении которого, надежность устройства снижается до 36,8%. 

    Почему? Для расчета необходимо ввести формулу для надежности.

     

    R(T) – надежность, выраженная в процентах в отношении до времени работы устройства

    T – продолжительность работы устройства

    MTBF – среднее врем между неисправностями

    2,718 – число Эйлера (присутствует в формулах как буква «е»)

    Дословно: 2,178 поднятые в отрицательной степени времени работы деленное на MTBF.

     

    Рассчитываем неисправность устройства, MTBF которого віносит 50 000 часов по времени 50 000 часов.

     

    То-есть устройство при MTBF = 50 000 часов имеет надежность 36,8% по времени 50 000 часов, иначе говоря по времени 50 000 часов вполне вероятно, что на 100 устройств — 37 будет работать эффективно, а 63 будут податливы неисправностям.

     

    Посмотрим вероятность ошибки в течение 3-х лет для, например, двух источников питания с разными MTBF.

     

    1. МTBF = 50 000 часов, 3 года = 3 года х 24 часа х365 дней = 26280 часов и подставляем в формулу:

     

    Этот результат показывает вероятность, что после трех лет 59,1% источников питания будет работать без сбоев (например, на 100 устройств 59 будет исправных, а 41 будут неисправными).

     

    2. MTBF = 700 000 часов, 3 года = 3 года х 24 часа х 365 дней = 26280 часов и подставляем в формулу.

     

    Этот случай показывает вероятность того, что после 3-х лет, 97,1 источник питания будет работать без сбоев (например, на 100 устройств 97 будет эффективных, а 3 будут неисправные).

     

    Наиболее часто параметр MTBF определяется изготовителем для работы устройства при температуре окружающей среды 25. При работе с более высокими температурами правило таково, что повышение температуры на 10 С приводит к двукратному уменьшению значения MTBF. Почему одни устройства имеют высокий, а другие низкий MTBF? Различия являются результатом качества используемых элементов и сложности устройства. Не все производители указывают этот параметр в технических данных.

     

    Выходное напряжение (Output Voltage) 

    Выходное напряжение — это такое напряжение, которое должно быть стабилизировано при смене нагрузки питания от 0 до 100%. Надо осознавать, что во всех источниках питания на выходное напряжение накладываются шумы, пульсации и помехи. Они могут иметь амплитуду до нескольких сотен mVp-p. Иногда слишком большое значение пульсации выходного напряжения может стать причиной проблем, если питаемое устройство чувствительно к пульсации, напаример, помеха в изображении камеры в приложениях ССTV или частые перегрузки любого электронного устройства.

     

    Ниже представлен снимок осциллограммы пульсации напряжения импульсного источника питания 12 V.

     

    Динамический ответ на резкие изменения нагрузки (Dynamic Response) 

    Каждый источник питания должен обеспечивать загрузку выходного напряжения постоянной величины, которое не изменяется при изменении тока нагрузки, однако иногда бывают резкие изменения нагрузки (например, включение/выключение ИК-подсветки в камере CCTV или включение/выключение дополнительной нагрузки). При изменении нагрузки от 0 до 100% (или наоборот) появляются нарушения и колебания выходного напряжения, которое может повлиять на работу других устройств. подключенных к источнику питания.

     

    На рисунке ниже видны изменения выходного напряжения по отношению к изменению нагрузки от 0 до 100% высокого качества источника питания, взятые из технической документации.

     

    V — исходное напряжение

    L — нагрузка

    Большинство импульсных источников питания оснащены цепями защиты от коротких замыканий и перегрузок. Двигатели, лампочки, грузоподъемность и т.д., то-есть нагрузки нелинейной характеристики, могут нуждаться в большом импульсе тока при старте, что значительно превышает максимальный номинальный ток источника питания. Это может вызвать отключениеи не допустить активацию питания. На практике может оказаться, что источник питания, например, 12В 50Вт не сможет работать после переключения нагрузки 12В 30Вт (например, лампочка, двигатель).

     

    Разработчики источников питания используют различные методы защиты от коротких замыканий и перегрузок. Защита должна обезопасить источник питания и нагрузку. Ниже рассматриваются наиболее распространенные.

     

    Режим Hiccup (Hiccup mode) 

    Эта защита используется очень часто ( с англ. hiccup – икота), преимущество которой — низкие потери мощности в источниках питания в случае перегрузки или короткого замыкания и автоматический возврат к нормальному режиму работы после исчезновения причины короткого замыкания или перегрузки.

     

    На графике ниже показан принцип режима работы hiccup.

     

    Uout — исходное напряжение

    Iout — выходной ток

    t — время

    A – короткое замыкание ( перегрузка)

    B – установление причины короткого замыкания

    Во время A возникает перегрузка или короткое замыкание. Наступает отключение источника питания. На выходе появляется импульс тока очень короткой продолжительности (напр.100мс) и значения до 150% максимального тока. Блок питания высылает этот импульс каждые несколько секунд до разрешения причины перегрузки или короткого замвкания (B), затем переходит к нормальному режиму работы. Порог срабатываяния защиты (исключительно источника питания) устанавливается в большинстве случаев на 110-150% от номинального тока (Iout). Чаще всего этот режим интегрирован с тепловой защитой. Если нагрузка потребляет тока больше, чем номинальный, но меньше порога безопасности, то через короткий промежуток включится тепловая защита, отключая источник питания и питание переходит в режим hiccup aдо момента разрешения причины перегрузки.

     

    Другие виды обеспечения, используемые против чрезмерного потребления мощности, показано на графике ниже (три кривые А, В и С).

     

    Uout — исходное напряжение

    Iout — выходной ток

    Кривая А — ограничение тока (Foldback Current Limiting)
    Этот вид защиты применяется тпкже к линии электропитания. После превышения максимального тока (снижение нагрузки сопротивления), с последующим ее снижением (уменьшением). Иначе говоря, если сопротивление нагрузки уменьшается, наступает снижение тока. Преимуществом этого решения являются низкие потери мощности в источниках питания в случае перегрузки или короткого замыкания. Однако при этом решении блок питания не запускается при загрузке большим пусковым током (например, большая емкость).

     

    Кривая В — стабилизирующая тока (Constant Current Limiting)
    После превышения максимального тока (уменьшение сопротивления нагрузки), источник питания поддерживает постоянный выходной ток, независимо от величины перегрузки, в то время, когда уменьшается выходное напряжение. Часто используется вторая защита, которая выключает источник питания, когда напряжение спадет до нескольких вольт. Большим недостатком этого метода являются большие потери мощности в самом источнике питания и высокий ток, протекающий через нагрузку, что может привести к повреждениям. Этот тип защиты позволяет начать электропитание при загрузках нелинейного характера.

     

    Кривая С — предел мощности (Over Power Limiting)
    После превышения максимального тока (уменьшению сопротиволения нагрузки), выходная мощность источника питания остается постоянной. Вместе с ростом напряжения, напряжение и ток на выходе падают в соответствии с характеристикой С. Этот тип защиты позволяет начать электропитание при нагрузках нелинейной характеристики.

     

    Температура работы (Working Temperature, Surrounding Air Temperature) 

    В зависимости от КПД источника питания, часть энергии, подводимой к источнику питания, теряется на тепло, температура внутри блока питания увеличивается по отношению к температуре наружного воздуха. Высококачественные источники питания, работая при температуре 25° С, могут нагреваться до 50 -70° С. При температуре окружающей среды 50° С, могут нагреваться до 75 — 95° С.

     

    Очень важно понимать, что рабочая температура непосредственно влияет на срок службы и надежность устройства, импульсные источники питания имеют сложную конструкцию и состоят из большого числа электронных компонентов, которые могут быть расположены близко друг друга внутри корпуса блока. Слишком высокая внутренняя температура може привести к повреждениям источника питания и значительно сократить срок его службы. Обратите вниманеие, что существует сильная зависимость выходной мощности от температуры. Нужно обязательно избегать работы блока питания при температурах выше 50°С, несмотря на то, что производитель часто подает рабочую температуру выше этого значения. В этом случае следует внимательно ознакомиться с технической документацией.

     

    Например, блок питания 150 W 12V — данная рабочая температура становит от -10°С до 70°С. Тем не менее, в документации производитель разместил график нагрузки в процентном выражении в зависимости от рабочей температуры.

     

    L — Процент нагрузки

    T — Рабочая температура

    Как видно на рисунке, источник питания может обеспечить полную мощность нагрузки, но только до 50°С. Во время работы при температуре 70°С устройство может заряжаться на 50%, что составляет половину максимального тока.

     

    Компонентами, наиболее чуствительными к повышению температуры, являются электролитические конденсаторы. Практически каждый блок питания включает в себя несолько штук. Производители конденсаторов подают важный параметр, то-есть срок службы при максимальной рабочей температуре. Снижение температуры на 10С приводит к двукратному увеличению срока службы электролитического конденсатора.Например, стандартные электролитические конденсаторы имеют срок службы 1 000 часов при температуре 105°С.

    или:

  • 105С- 1 000 часов (41день)
  • 95°C — 2 000 часов (83 дня)
  • 85°С — 4 000 часов (166 дня)
  • 75°C — 8 000 часов (333 дней)
  • 65°C — 16 000(часов) (1,8 года)
  • 55°C — 32 000часов (3,6 года)
  • 45°C — 64 000часов (7,3 лет) 
  • Эти времена не означают конец жизни конденсатора, только время, после которого наступит значительное ухудшение его параметров (емкости, последовательного сопротивления и т.д.), которые, как правило, приводят к аварии.

     

    Как видно с примера выше, чем ниже температура = тем более длительный срок службы. Имеются конденсаторысо сроком службы в несколько раз больше, однако это приводит и к более высокой цене. Это от производителя зависит, какие будут применять компоненты. В дешевых источниках питания не используются дорогостоящие детали с большей продолжительностью жизни.

     

    Нетто:0.00 EUR
    Брутто:0.00 EUR
    Вес:0.00 kg
    Особенно рекомендуем
    БЛОК ПИТАНИЯ POE POE-48/NX 24 W

    Нетто: 9.29 EUR

    ПОДВЕСНОЙ ШКАФ RACK R19-3U/350/W

    Нетто: 62.73 EUR

    БЛОК ПИТАНИЯ 12V/2A/5.5*P100

    Нетто: 467.34 EUR

    ДИСК ДЛЯ РЕГИСТРАТОРА HDD-ST2000VX007 2TB 24/7 SKYHAWK Lite SEAGATE

    Нетто: 55.29 EUR

    IP-КАМЕРА APTI-52C2-28WP — 5 Mpx 2.8 mm

    Нетто: 61.92 EUR

    ЭКСТЕНДЕР HDMI+USB-EX-100

    Нетто: 95.61 EUR

    СКРЫТАЯ КАМЕРА AHD, HD-CVI, HD-TVI, CVBS APTI-H50YK-37 2Mpx / 5Mpx 3.7 mm APTI

    Нетто: 37.86 EUR

    ОСНОВАНИЕ БАЛЛАСТНОЙ МАЧТЫ MB-3/PLUS

    Нетто: 170.90 EUR

    ДИСК ДЛЯ РЕГИСТРАТОРА HDD-WD40PURX 4TB 24/7 WESTERN DIGITAL

    Нетто: 93.97 EUR

    Как работает блок питания — Kitronik Ltd

    Внешние блоки питания, используемые с электронными изделиями

    Аккумуляторные батареи

    Устройство для удаления батарей или регулируемый источник питания — это устройство, которое можно использовать вместо батарей. Он принимает сетевое питание переменного тока и преобразует его в 3 В, 4,5 В, 6 В, 9 В или 12 В постоянного тока, позволяя подавать эквивалентное напряжение для различного количества батарей. Выбор напряжения обычно осуществляется поворотом небольшого регулятора на корпусе блока питания.Регулируемые блоки питания обычно продаются с рядом адаптеров, позволяющих подключать их к большинству электронного оборудования (при условии, что они имеют подключение к источнику питания).

    Внешние блоки питания

    Когда электронный продукт продается с источником питания, этот источник питания будет иметь одно напряжение и один разъем. Это сделает его немного дешевле, чем регулируемая альтернатива.

    Маркировка

    Когда вы посмотрите на источник питания, он расскажет вам, каковы входное напряжение и ток, а также выходное напряжение и ток, он также может указать, какой контакт на выходном разъеме является заземлением и источником питания.Вы также увидите некоторые символы; Значение этих символов описано ниже:

    Как работают блоки питания

    Блок питания используется для снижения напряжения в сети при 240 вольт переменного тока до чего-то более пригодного для использования, например, 12 вольт постоянного тока. Есть два типа источника питания: линейный и импульсный. В линейном блоке питания используется трансформатор для снижения напряжения. Отношение первичных обмоток (подключенных к сети) к количеству вторичных обмоток (подключенных к выходу) даст отношение того, насколько снижается напряжение, в этом случае соотношение 20: 1 снижает входное напряжение переменного тока 240 вольт. до 12 В переменного тока на вторичных обмотках.Импульсный источник питания работает путем очень быстрого включения и выключения электросети для снижения напряжения. В этом случае снижение напряжения зависит от соотношения времени включения и времени выключения. Переключение происходит очень быстро, 10 000 раз в секунду или быстрее. Используя эту технику, можно заменить громоздкий трансформатор в линейном источнике питания на меньший. Ниже представлена ​​блок-схема импульсного источника питания. Сигнал переменного тока выпрямляется и регулируется для получения высокого постоянного напряжения. Затем он быстро включается и выключается полевым транзистором.Затем коммутируемый сигнал проходит через трансформатор, хотя это может снизить напряжение, он изолирует выход от электросети (по соображениям безопасности). Затем обратная связь выхода используется для управления отношением расстояния между метками переключения, чтобы выход оставался при требуемом напряжении. Трансформатор, используемый в импульсном источнике питания, намного меньше и дешевле, чем трансформатор, используемый в линейном источнике питания, но должен быть в состоянии выдерживать более высокие частоты переключения.

    Трансформаторы

    Мы уже упоминали, что существует два типа трансформаторов: те, которые используются на низких частотах (50 Гц) в линейных источниках питания, и высокоскоростные (> 10 кГц) версии, используемые в импульсных источниках питания.Трансформатор линейного источника питания обычно использует стальной сердечник. Так как вихревые токи могут возникать в твердом стальном сердечнике и снижать эффективность, сердечник сделан из изолированных стальных пластин, уложенных друг рядом с другом, с намотанными вокруг них обмотками.

    Линейный и режим переключения

    Поскольку для импульсного источника питания не нужен большой трансформатор, он меньше, легче и дешевле. Импульсный источник питания более эффективен, чем линейный, поэтому выделяет меньше тепла. Источники импульсного режима могут быть разработаны для работы с различными входными напряжениями (240 В или 115 В), поэтому их можно использовать по всему миру.Все вышеперечисленные причины означают, что импульсный источник питания гораздо более распространен, чем линейный источник питания. К сожалению, очень быстрое переключение источника питания импульсного режима вызывает электрические помехи или скачки напряжения в источнике каждый раз, когда оно переключается. Если требуется чистая подача, она должна быть линейной.
    Ферритовые тороидальные сердечники (в форме пончика) намного лучше работают с более высокими частотами и используются в импульсных источниках питания.

    Регулируемые поставки

    В блок-схеме импульсного источника питания заключительным этапом было сглаживание импульсов путем добавления конденсатора большой емкости.В зависимости от того, насколько точной должна быть поставка, этого решения может быть достаточно. В этой конструкции на выходе будет некоторая рябь; оно будет отличаться от требуемого напряжения на небольшую величину, может быть, на несколько процентов. В регулируемом источнике питания используется ИС, в которой ИС контролирует выходное напряжение относительно опорного напряжения и соответствующим образом регулирует выходное напряжение. Регуляторы имеют гораздо более низкую пульсацию и часто включают защиту от перегрузки по току и перегрева, в результате чего они автоматически отключаются, делая их и остальную часть источника питания неразрушаемыми.Деталь, показанная справа, представляет собой обычный регулятор на 5 вольт 7805.

    Типы корпусов

    Самый распространенный тип корпуса — пластиковый. Это связано с тем, что его можно легко изготовить с использованием процесса литья под давлением, а такие функции, как монтажные отверстия или зажимы для печатной платы, отверстия для ввода кабеля и т. Д., Могут быть включены в конструкцию практически без дополнительных затрат на детали. Более дорогая альтернатива — металлический корпус; однако они должны быть заземлены по соображениям безопасности. Скачать pdf-версию этой страницы здесь. Узнать больше об авторе подробнее »

    © Kitronik Ltd — Вы можете распечатать эту страницу и дать ссылку на нее, но не должны копировать страницу или ее часть без предварительного письменного согласия Kitronik.

    Что такое импульсный блок питания против линейного, как он работает?

    Когда нам нужен высокоэффективный блок питания небольшого размера. Многие выбирают импульсный блок питания. Раньше мне нравились линейные блоки питания. Но иногда я должен пробовать другие способы.

    В этом посте мы узнаем, что такое импульсный источник питания по сравнению с линейным, как это работает?

    Тебе может он нравится так же, как и мне. После прочтения этой статьи.

    Какие бывают типы блоков питания

    Блок питания является источником энергии для различных цепей.Он преобразует сеть переменного тока в напряжение постоянного тока. Это постоянное или переменное напряжение, применяемое в вашей работе.

    Существует 2 основных типа источников питания:

    • Обычно используется линейный источник питания.
      Это простые схемы не сложные. Но они большие и низкий КПД всего около 50% и более. При их работе наблюдаются потери в виде сильного нагрева.
    • Импульсный блок питания В настоящее время
      Многие предприятия выбирают этот тип блока питания.Потому что маленький Высокий КПД составляет около 85% и более. Представьте, что мы вводим 100% электроэнергии. Его можно преобразовать в 85% энергии. И 15% теряется в виде тепла.

    А вот схема коммутации питания довольно сложная. Раньше я старался избегать этого, потому что не был уверен, смогу ли я это легко объяснить.

    Готовы начать?

    Для начала рассмотрим блок-схему импульсного блока питания. Хотя конструкция выглядит сложной.Но если схему можно разделить на части, это будет проще для понимания.

    Блок-схема импульсного блока питания

    Изюминка этой схемы — работа с высокой частотой. Поэтому имеет трансформатор меньшего размера. Имеется система переключения с высокими частотами.

    А входная и выходная цепи включают выпрямительную и фильтрующую цепи. и детектор напряжения ошибки для контроля стабильного напряжения.

    Конечно, сейчас можно не понять. Но когда вы прочтете следующий раздел, друзья поймут больше.

    Что еще?

    В импульсном блоке питания есть 4 типа выпрямительных цепей.

    Meet Выпрямитель переменного тока в постоянный, простой, но очень полезный

    Импульсный блок питания будет иметь выпрямительную схему как на входе, так и на выходе. По большей части это схема мостового выпрямителя.

    Части преобразуют переменный ток в постоянный ток выпрямителя. В линейной схеме эта схема важна. В схеме импульсного питания также важна выпрямительная схема.

    Важным устройством является диод, который представляет собой полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении.Затем через фильтр будет протекать постоянное напряжение, сглаживая ток.

    Рекомендуется: Как работает схема выпрямителя

    В импульсном блоке питания есть 4 типа схем выпрямителя:

    1 #

    От сети переменного тока к импульсному постоянному току Мостовой выпрямитель

    Обычно мы сначала находим схему выпрямителя. Входная сторона импульсного источника питания, как на схеме ниже.

    Вход переменного тока в импульсное напряжение постоянного тока с использованием мостового выпрямителя.

    Входное напряжение переменного тока 220 В RMS или 311 В пик выпрямляется до импульсного напряжения постоянного тока 160 В пик.Затем мы переходим к принципиальной схеме радиочастотного переключателя.

    2 #

    Однополупериодный выпрямитель из РЧ-сигнала переменного тока

    В импульсном источнике питания входной сигнал постоянного тока будет переключаться на высокочастотный РЧ-сигнал. Затем понижающий трансформатор преобразует его в переменный ток низкого напряжения. Затем он также поступает на полуволновой выпрямитель в импульс постоянного тока.

    3 # Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводным трансформатором

    Он разработан на основе однополупериодного выпрямителя. Мы часто будем видеть такой выпрямитель.И обратите внимание, что он использует центральный отвод вторичного трансформатора. Это ссылка на землю.

    4 # Двухполупериодный мостовой выпрямитель из понижающего трансформатора

    Этой схеме не нужен центральный трансформатор отвода, но нам нужно использовать еще 2 диода.

    Выбор диодов для выпрямительной схемы

    Есть 2 важных фактора:

    Пиковое обратное напряжение — PIV

    Это максимальное напряжение, которое выдерживает диод.Пока он получает обратный уклон. Или когда диод выключен.

    Значение PIV используемого диода должно выдерживать как минимум 2-кратное рабочее напряжение. И при расчете безопасность тоже нужно увеличить на 50%.

    При входном переменном напряжении 220 В среднеквадратичное пиковое напряжение составляет 1,414 x В среднеквадратического значения = 311 В пик.

    Мы должны выбрать диод со значением:

    Piv = (311Vpkx2) + (311Vpkx0,5)
    = 777,5Vpiv

    Forward Current-IF

    Это ток, который диод позволяет течь через него при получении форвард без повреждений.И что еще более важно, не забудьте добавить значение безопасности 50%.

    Например, входной выпрямитель с током 1А. Мы должны выбрать диод с током пересылки:
    IF = 1+ (1 × 0,5) = 1,5A

    Насколько важен фильтр

    Напряжение на выпрямителе — постоянное. Но мы не можем его использовать. Нам нужно сгладить его конденсатором фильтра. Его необходимо использовать как в линейном, так и в импульсном блоке питания.

    Конденсатор — это устройство, используемое для хранения энергии. Он заряжает энергию внутри себя, пока не достигнет максимального значения импульсного напряжения.И отпустит при загрузке.

    Эффект фильтрации импульсного сигнала постоянного тока и ответный ток нагрузки

    На изображении показан эффект фильтрации конденсатора в ритме зарядки и разрядки. При подключении к нагрузке. Пульсации напряжения на конденсаторе называются пульсациями.

    • Имеется высокая пульсация. При высоком токе нагрузки
    • Напротив, пульсации низкие. Если это низкий ток нагрузки.

    А если посмотреть на блок-схему работы.В цепи фильтра на переменное напряжение 50-60 Гц. Мы будем использовать конденсатор довольно большого размера.

    Обычно в диапазоне от 1000 до 2000 мкФ. Это зависит от тока нагрузки.

    Читать далее: Как спроектировать нерегулируемый источник питания

    Увеличение его значения (параллельно) уменьшает время разрядки между импульсами, что также приводит к меньшим значениям пульсаций напряжения

    Норма рабочего напряжения
    Важно отметить, что нам необходимо использовать номинальное рабочее напряжение конденсатора, более высокое напряжение при рабочем токе составляет примерно 50%

    Высокочастотный трансформатор

    Трансформатор — это устройство, которое используется для преобразования высокого напряжения на первичной обмотке в низкое напряжение на вторичной обмотке, как показано на рисунке ниже.

    RF Высокочастотные трансформаторы соединяют связь между входом и выходом.

    Это форма соединения трансформатора с входом и выходом. Мы используем его импульсный источник питания для переключения на высоких частотах 20 кГц и более.

    Обычно трансформаторы 50 Гц, которые обычно используются, не могут использоваться на высоких частотах.

    Хотя размер и форма переключающих трансформаторов отличаются от трансформаторов 50 Гц. Но в работе по-прежнему используются те же основные принципы связи магнитного поля.

    Это высокое напряжение, подключенное к первичной катушке. И он будет накапливать энергию и создавать магнитные поля, чередующиеся между фазами включения и выключения.

    Какой сердечник трансформатора действует как магнитное поле, наведенное на вторичную обмотку в виде трансформатора связи.

    Что такое импульсный регулятор RF

    Сердце импульсного источника питания — RF регулятор. Также известен как импульсный регулятор.

    Импульсный стабилизатор с широтно-импульсной модуляцией

    Хотя существует множество различных схем переключения.Но обычно используется ШИМ-широтно-импульсная модуляция.

    Это базовая блок-схема импульсного регулятора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Он поддерживает уровень напряжения с замкнутым контуром.

    Для получения постоянного выходного напряжения. Эта схема обнаружит ошибку напряжения. Этот сигнал ошибки используется для управления шириной импульса схемы переключения. Это изменение ширины импульса в цепи генератора в регуляторе.

    Ширина импульсов, изменяемых генератором, отправляется для управления транзистором, действующим как переключатель.В котором изменение ширины импульса вызывает соответствующее изменение среднего выходного напряжения.

    Высокочастотные трансформаторы понижают напряжение в сигнал переменного тока, затем он выпрямляется и снова фильтруется.

    Для конечного вывода постоянного напряжения. Результат снова будет рандомизирован. И отрегулирует последующий сигнал ошибки. До получения постоянного напряжения по мере необходимости.

    Это означает, что схема будет работать в замкнутом контуре. Выходное напряжение постоянно контролируется до нормальной работы.

    Теперь мы можем узнать основной принцип работы импульсного регулятора. Как это работает? Так, что дальше? Возможно, нам пора применить его.

    Читайте также: Схема импульсного источника питания постоянного тока 0-45 В, 8 А

    Гибридный импульсный регулятор Принцип работы

    Не всегда необходимо использовать высокочастотный трансформатор для разработки импульсного источника питания.

    Обычно трансформатор используется для изменения напряжения импульса с высокого напряжения на более низкое.

    Если входное напряжение постоянного тока близко к фактическому рабочему напряжению. Высокочастотный трансформатор не нужен.

    Мы можем использовать понижающий трансформатор напряжения 50 Гц, чтобы снизить напряжение до более низкого значения. Перед подачей его на вход выпрямительной схемы.

    Посмотрите на схему гибридного импульсного регулятора, вход схемы имеет характеристики, аналогичные характеристикам линейного источника питания. Но это повышает производительность.

    Гибридный импульсный стабилизатор 5 В, 500 мА

    Посмотрите на реальные примеры использования, гибридный импульсный регулятор 5 В, 500 мА.В схеме используется LM341 NS. Как правило, это трехконтактный стабилизатор положительного напряжения.

    Не люблю читать текст. Но мне нравится изучать его работу по принципиальным и структурным схемам. Ты такой же, как я? Давайте посмотрим на схему. Мы еще разберемся.

    Но это служит генератору. Частота генератора в цепи определяется соотношением сопротивлений R2 и R3.

    Выходное напряжение возвращается через катушку индуктивности L1. Транзистор Q1 служит реальным переключающим устройством в схеме.

    Ознакомьтесь также с этими связанными статьями:

    Learn Flyback Switching Regulator Works

    Если вам нужен импульсный стабилизатор, который использует несколько компонентов. А вашей нагрузке требуется мощность менее 100 Вт.

    Посмотрите на блок-схему ниже.

    Это схема импульсного источника питания с обратным ходом.

    Высокочастотный трансформатор очень важен в этой схеме. Потому что он имеет 3 основные функции:

    • Снижение напряжения.
    • Разделите входную и выходную цепи.
    • Ограничьте также сетевой ток переменного тока.

    В котором первичная и вторичная обмотки намотаны в противоположных направлениях.

    При наличии импульсного управляющего сигнала для смещения транзистор работает. Ток будет проходить через высокочастотный трансформатор. Но выходной выпрямитель не проводит ток.

    Напротив, когда транзистор выключен. Первичное напряжение меняется на противоположное. И этот результат вызывает обратный ток, протекающий через выход выпрямителя и выход фильтра.Мы можем контролировать ширину импульса через трансформатор. Для поддержания постоянного выходного напряжения.

    Импульсный источник питания с обратным ходом имеет ограниченную номинальную мощность 100 Вт. Из-за тока трансформатора. И ограничение на пиковое значение тока переключения транзистора.

    Для приложений мощностью более 100 Вт. Мы будем использовать другие схемы импульсного регулятора. Это будет объяснено в следующей схеме.

    Отобранные вручную связанные схемы, которые вы можете прочитать:

    Схема прямого импульсного регулятора мощностью от 80 до 200 Вт

    Посмотрите на прямой импульсный регулятор на блок-схеме ниже.Это высокая мощность от 80 Вт до 200 Вт. Мы можем улучшить пульсацию, чтобы уменьшить ее. Потому что мы используем схему мостового выпрямителя. У которого пульсация ниже, чем у однополупериодного выпрямителя импульсного регулятора обратного хода.

    Кроме того, мы можем еще больше уменьшить пульсации, подключив дроссель индуктивности последовательно с конденсаторным фильтром.

    Когда транзистор работает (ВКЛ). Выход схемы будет проводить ток и иметь напряжение на себе.

    А при остановке транзистора (ВЫКЛ).Ток перестанет течь в выходном выпрямителе. Напряжение на дросселе изменит полярность. И поставляет в нагрузку. Вот почему он снижает пульсацию.

    Имеется небольшая разница в схеме импульсного управления регулятора прямого включения.

    На практике необходимо изменить синхронизацию импульсов выхода, чтобы соответствовать разным размерам выхода. Для наилучшего результата.

    Вот несколько связанных сообщений, которые вы, возможно, захотите прочитать:

    Двухтактный импульсный источник питания

    Если вам нужна мощность более 200 Вт.Эта схема рассчитана на мощность до 600 Вт.

    Посмотрите на блок-схему. Он состоит из 2-х регуляторов с широтно-импульсной модуляцией, работающих вместе для управления переключающим транзистором с каждой стороны.

    Этот тип подключения цепи позволит пропускать больший ток.

    Пульсации в двухтактной схеме переключения можно уменьшить. Обеспечивая балансировку схемы для каждой широтно-импульсной модуляции.

    Обычно в двухтактных коммутационных схемах меньше всего пульсаций.По сравнению с другими схемами импульсного питания.

    И выпрямители, и схемы фильтрации импульсов импульсной модуляции одинаковы. С точкой получить ошибку напряжения на выходе такая же точка.

    Вывод

    Импульсный источник питания имеет недостаток — шумовой радиочастотный сигнал. Которая может распространяться и мешать работе других цепей. Если не хорошо экранирован.

    Значения стабилизации и пульсации аналогичны линейным цепям.

    Таким образом, импульсный источник питания подходит для приложений, требующих небольшого размера, высокой эффективности и низкого тепловыделения.

    Кроме того, вот пара связанных сообщений, которые вы тоже должны прочитать:

    ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРОННУЮ ПОЧТУ

    Я всегда стараюсь сделать Electronics Learning Easy .

    Как работают импульсные блоки питания? Исторический обзор революционных технологий электропитания | Мир силовой электроники | Журнал TDK Techno

    Почему адаптеры переменного тока, основанные на линейном методе, тяжелые и громоздкие

    Адаптер переменного тока, который преобразует коммерческий переменный ток в постоянный, является хорошим примером для изучения базовой технологии, лежащей в основе источников питания.В прошлом адаптеры переменного тока были тяжелыми и громоздкими предметами, но сегодня они намного легче и меньше, например, зарядное устройство для мобильного телефона. Это связано с тем, что метод переключения стал широко распространенным с начала 2000-х годов, заменив традиционный линейный метод.

    Различия между линейным и коммутационным методами обсуждаются ниже, но сначала давайте посмотрим на простой обычный адаптер переменного тока — простой линейный источник питания без схемы стабилизации. Этот тип адаптера переменного тока отличается простой схемой и низкой стоимостью и используется в стационарных беспроводных телефонах, динамиках настольных компьютеров, электроинструментах и ​​т. Д.Хотя это трудно сказать по внешнему виду, большая часть его веса и объема приходится на силовой трансформатор внутри, состоящий из катушки, намотанной вокруг твердого железного сердечника. Силовой трансформатор преобразует напряжение 100 В переменного тока в более низкое напряжение переменного тока. Впоследствии переменный ток выпрямляется с помощью диодов — элементов, пропускающих ток в одном направлении, но блокирующих его в противоположном направлении.

    Даже после выпрямления ток все еще пульсирует и далек от чистого постоянного тока, поэтому он дополнительно сглаживается сглаживающей схемой на основе конденсатора.Конденсатор хранит электрический заряд, фундаментальное свойство конденсатора. Схема выпрямления, показанная на рисунке ниже, является примером использования диодов в мостовой конфигурации (метод двухполупериодного выпрямления). Даже когда переменный ток меняет свое направление, ток, протекающий к конденсатору, всегда в одном и том же направлении, заряжая конденсатор. В пульсирующих токах ток и напряжение сильно колеблются циклически, и конденсатор соответственно разряжает накопленную энергию, чтобы подавить эти колебания.В сглаживающих цепях требуются конденсаторы большой емкости; поэтому обычно используются алюминиевые электролитические конденсаторы. Кроме того, дроссель иногда помещают последовательно с конденсатором, используя способность катушки препятствовать изменениям тока, тем самым дополнительно способствуя сглаживанию.

    Стабилизированные источники питания постоянного тока критически важны для цифровых электронных устройств

    Блок питания переменного и постоянного тока, например адаптер переменного тока, предназначен для получения постоянного тока от коммерческого источника переменного тока.Однако качество DC сильно различается. В простом адаптере переменного тока даже после того, как пульсирующий ток сглажен, рябь все еще остается в форме волны. Колебания напряжения на коммерческом входе переменного тока также могут дестабилизировать выходное напряжение постоянного тока. Эти недостатки могут не быть проблемой для таких задач, как зарядка аккумулятора, но могут привести к выходу из строя низковольтных микросхем, что потребует более равномерного и стабильного постоянного тока. Источник питания, снабженный для этой цели стабилизирующей схемой (регулятором), называется стабилизированным источником питания.

    Стабилизированные источники питания в целом подразделяются на линейные и импульсные источники питания в зависимости от используемого метода. Линейные источники питания используются со времен электронных ламп. Принцип довольно прост: выходное напряжение регулируется путем включения в схему переменного резистора. Стабилитроны и трехконтактные ИС (также известные как трехконтактные стабилизаторы) являются примерами компонентов, которые функционируют как переменные резисторы.

    Стабилитроны

    также называют диодами постоянного напряжения.Обычные диоды используются в качестве выпрямительных элементов, позволяя току течь в одном направлении, но не в противоположном. Однако, если напряжение подается в обратном направлении и постоянно увеличивается, в конечном итоге будет достигнут порог, при котором диод внезапно начнет пропускать ток. Стабилитроны используют это явление, чтобы позволить току течь только выше определенного напряжения; тем самым его можно использовать для поддержания постоянного выходного напряжения.

    Трехконтактная ИС — это компонент, который определяет разницу между напряжением, установленным стабилитроном (известным как опорное напряжение), и фактическим выходным напряжением, и стабилизирует напряжение, усиливая и корректируя его с помощью транзистора.Она называется «трехконтактной ИС», потому что вся схема построена на единой микросхеме и имеет три контакта: IN, OUT и GND (земля). Они широко используются в электронных устройствах из-за своего небольшого размера и простоты использования. Они действительно выделяют большое количество тепла, требуя радиаторов для отвода тепла, поэтому они не подходят для источников питания с большими требованиями к мощности. Однако из-за их простой схемы и низкого уровня шума они часто используются в измерительных приборах, медицинском оборудовании и высококачественном звуковом оборудовании.

    Импульсные источники питания привели к уменьшению габаритов, весу и повышению эффективности

    Наконец-то мы подошли к объяснению импульсных источников питания. Один из самых распространенных импульсных источников питания — адаптер переменного тока мобильного телефона.Хотя его схема намного сложнее, чем схема элементарного адаптера переменного тока, упомянутого ранее, он исключительно компактен благодаря микросхемам, используемым в цепи стабилизации. Отсутствие большого и тяжелого силового трансформатора объясняет его небольшие размеры и вес.

    Импульсные источники питания воплощают в себе множество технологий, которые на протяжении всей истории лежали в основе силовой электроники. Примерно с 1960 года полупроводники (диоды, транзисторы и т. Д.) Начали заменять электронные лампы, но улучшение размеров и эффективности происходило медленно.Это было присуще линейным источникам питания, потому что радиаторы были необходимы для отвода тепла от транзисторов, а трансформаторы были тяжелыми и громоздкими.

    Импульсные источники питания использовали совершенно другой подход для преодоления недостатков линейных источников питания. (Их разработка была стимулирована программой НАСА Apollo.) Ключевое различие между этими двумя методами состоит в том, что линейный источник питания преобразует коммерческое напряжение переменного тока с помощью трансформатора и впоследствии выпрямляет его; Импульсный источник питания сначала выпрямляет переменный ток в постоянный, а затем преобразует напряжение.После выпрямления тока напряжение больше не может быть преобразовано с помощью трансформатора. Вместо этого полупроводники (транзисторы и МОП-транзисторы) обеспечивают высокоскоростное переключение, которое преобразует выпрямленный ток в импульсную волну, которая затем подается на высокочастотный трансформатор, преобразующий напряжение. Это усложняет схему и требует большего количества компонентов, но в этом и заключается суть импульсного источника питания.

    Существует несколько методов управления импульсными источниками питания, но наиболее распространен метод ШИМ (широтно-импульсной модуляции).Ширина импульсов (время включения и выключения тока) регулируется таким образом, чтобы «площадь» каждого импульса (как показано на графике) нормализовалась для стабилизации напряжения. По эффективности этот метод намного превосходит линейный источник питания, который постоянно сбрасывает часть мощности в виде тепла в процессе стабилизации. Импульсный источник питания чрезвычайно эффективен, поскольку он формирует выходную мощность, как если бы он вырезал и вставлял форму волны, с очень небольшими потерями электроэнергии.

    Размер трансформатора обратно пропорционален частоте, на которую он рассчитан. Частота коммерческого переменного тока составляет 50 или 60 Гц, поэтому трансформатор в линейном источнике питания неизбежно будет большим и тяжелым. С другой стороны, частота импульсной волны импульсного источника питания очень высока — от десятков до сотен килогерц — там, где достаточно гораздо меньшего и более легкого трансформатора. Однако на высоких частотах трансформаторы с железными сердечниками становятся непрактичными из-за чрезмерных потерь мощности.Здесь незаменим ферритовый сердечник. Например, повышение эффективности источников питания всего на 1% может иметь существенный эффект энергосбережения для общества в целом. Вот почему большие ожидания от ферритовых технологий TDK в области силовой электроники. Тем не менее, импульсные источники питания также имеют свои недостатки: в первую очередь, это генерация шума из-за высокоскоростного переключения. Традиционно источники питания долгое время представляли собой борьбу с теплом, а шум — дополнительная проблема.Это еще одна область, в которой в игру вступают технологии TDK.

    Топологии

    с их принципом работы

    Схема импульсного источника питания

    Источник питания — это электронная схема, которая используется для подачи электроэнергии на устройства или нагрузки, такие как компьютеры, машины и т. Д. Этим электрическим и электронным нагрузкам требуются различные формы мощности в разных диапазонах и с разными характеристиками.Таким образом, по этой причине мощность преобразуется в требуемые формы (с желаемыми качествами) с помощью некоторых силовых электронных преобразователей или преобразователей мощности.

    Электрические и электронные нагрузки работают с различными источниками питания, такими как источник питания переменного тока, источник питания переменного тока в постоянный, источник высокого напряжения, программируемый источник питания, источник бесперебойного питания и импульсный источник питания.

    Что такое импульсный источник питания?

    Электронный источник питания, интегрированный с импульсным регулятором для эффективного преобразования электроэнергии из одной формы в другую с желаемыми характеристиками, называется импульсным источником питания.Он используется для получения стабилизированного выходного напряжения постоянного тока из нерегулируемого входного напряжения переменного или постоянного тока.

    Импульсный источник питания

    Импульсный источник питания, как и другие источники питания, представляет собой сложную схему, которая подает питание от источника к нагрузкам. Импульсный источник питания необходим для энергопотребляющих электрических и электронных устройств и даже для электрических и электронных объектов.

    Топологии импульсного источника питания

    Существуют различные типы топологий для SMPS, среди них несколько:

    • Преобразователь постоянного тока в постоянный
    • Преобразователь переменного тока в постоянный
    • Обратный преобразователь
    • Прямой преобразователь
    Принцип работы импульсного источника питания

    Несколько типов топологий импульсного источника питания работают следующим образом:

    1.Принцип работы SMPS преобразователя постоянного тока в постоянный ток

    В преобразователе постоянного тока в постоянный ток в первую очередь поступает высоковольтная мощность постоянного тока, непосредственно получаемая от источника постоянного тока. Затем эта высоковольтная мощность постоянного тока переключается с очень высокой скоростью переключения, обычно в диапазоне от 15 кГц до 50 кГц.

    И далее подается на понижающий трансформатор, который по весогабаритным характеристикам сопоставим с трансформаторным блоком 50 Гц. Выход понижающего трансформатора далее подается на выпрямитель.Эта отфильтрованная и выпрямленная выходная мощность постоянного тока используется в качестве источника для нагрузок, а выборка этой выходной мощности используется в качестве обратной связи для управления выходным напряжением. С помощью этого напряжения обратной связи контролируется время включения генератора, а время замыкания -сформирован регулятор петли.

    Преобразователь постоянного тока в постоянный SMPS

    Выход импульсного источника питания регулируется с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Как показано на схеме выше, переключатель управляется генератором ШИМ, так что мощность, подаваемая на понижающий трансформатор, управляется косвенно, и, следовательно, выходом управляет ШИМ, поскольку этот сигнал ширины импульса и выход напряжения обратно пропорциональны друг другу.

    Если рабочий цикл составляет 50%, то максимальное количество мощности передается через понижающий трансформатор, а если рабочий цикл уменьшается, то количество передаваемой мощности будет уменьшаться за счет уменьшения рассеиваемой мощности.

    2. Принцип работы ИИП преобразователя переменного тока в постоянный

    ИИП преобразователя переменного тока в постоянный имеет вход переменного тока. Он преобразуется в постоянный ток в процессе выпрямления с использованием выпрямителя и фильтра. Это нерегулируемое постоянное напряжение подается на конденсатор большого фильтра или схемы коррекции коэффициента мощности (PFC) для коррекции коэффициента мощности по мере его воздействия.Это связано с тем, что около пиков напряжения выпрямитель потребляет короткие импульсы тока, обладающие значительной высокочастотной энергией, что влияет на коэффициент мощности для снижения.

    Преобразователь переменного тока в постоянный SMPS

    Он почти аналогичен рассмотренному выше преобразователю постоянного тока в постоянный, но вместо прямого источника питания постоянного тока здесь используется вход переменного тока. Таким образом, комбинация выпрямителя и фильтра, показанная на блок-схеме, используется для преобразования переменного тока в постоянный, а переключение осуществляется с помощью мощного усилителя MOSFET, с помощью которого можно достичь очень высокого усиления.MOSFET-транзистор имеет низкое сопротивление в открытом состоянии и может выдерживать большие токи. Частота переключения выбирается так, чтобы ее не слышали обычные люди (обычно выше 20 кГц), а действие переключения контролируется обратной связью с использованием генератора ШИМ.

    Это переменное напряжение снова подается на выходной трансформатор, показанный на рисунке, для повышения или понижения уровней напряжения. Затем выходной сигнал этого трансформатора выпрямляется и сглаживается с помощью выходного выпрямителя и фильтра.Схема обратной связи используется для управления выходным напряжением путем сравнения его с опорным напряжением.

    Пожалуйста, перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о MCQ источниках питания постоянного тока.

    3. Принцип работы SMPS с обратным преобразователем. с обратным преобразователем типа SMPS, и это очень простая и недорогая схема по сравнению с другими схемами SMPS. Следовательно, он часто используется для приложений с низким энергопотреблением.

    Обратный преобразователь типа SMPS

    Нерегулируемое входное напряжение с постоянной величиной преобразуется в желаемое выходное напряжение путем быстрого переключения с использованием полевого МОП-транзистора; частота переключения составляет около 100 кГц. Изоляция напряжения может быть достигнута с помощью трансформатора. Работой переключателя можно управлять с помощью ШИМ-регулятора при использовании практичного обратного преобразователя.

    Обратный трансформатор имеет другие характеристики по сравнению с обычным трансформатором.Две обмотки обратного трансформатора действуют как индукторы с магнитной связью. Выход этого трансформатора проходит через диод и конденсатор для выпрямления и фильтрации. Как показано на рисунке, напряжение на этом конденсаторе фильтра принимается за выходное напряжение SMPS.

    4. Прямой преобразователь типа SMPS Рабочий

    Прямой преобразователь типа SMPS почти аналогичен обратному преобразователю типа SMPS, но в прямом преобразователе типа подключается управление для управления переключателем и на выходе вторичной обмотки трансформатора, а схема выпрямления и фильтрации сложна по сравнению с обратноходовым преобразователем.

    Его можно назвать понижающим преобразователем постоянного тока в постоянный вместе с трансформатором, используемым для изоляции и масштабирования. В дополнение к диоду D1 и конденсатору C к выходному концу подключены диод D2 и катушка индуктивности L. Если переключатель S включается, то входной сигнал подается на первичную обмотку трансформатора, и, следовательно, на вторичной обмотке трансформатора генерируется масштабированное напряжение.

    Прямой преобразователь типа SMPS

    Таким образом, диод D1 смещается в прямом направлении, и масштабированное напряжение проходит через фильтр нижних частот, предшествующий нагрузке.Если выключатель S выключен, то токи через первичную и вторичную обмотки достигают нуля, но ток через индуктивный фильтр и нагрузку не может быть изменен резко, и путь этому току обеспечивает обратный диод D2. За счет использования катушки индуктивности фильтра устанавливается необходимое напряжение на диоде D2 и для поддержания ЭДС, необходимой для поддержания непрерывности тока на индуктивном фильтре.

    Даже несмотря на то, что ток уменьшается по сравнению с выходным напряжением, приблизительно постоянное выходное напряжение поддерживается благодаря наличию большого емкостного фильтра.Он часто используется для коммутации приложений с мощностью в диапазоне от 100 Вт до 200 Вт.

    Существуют различные типы топологий, в которых могут быть реализованы SMPS, такие как понижающий преобразователь, повышающий преобразователь, автоколебательный обратноходовой преобразователь, понижающий преобразователь. -буст-преобразователь, Boost-buck, Cuk, Sepic. Но только некоторые из них обсуждаются в этой статье, а именно преобразователь постоянного тока в постоянный, преобразователь переменного тока в постоянный, обратный преобразователь и прямой преобразователь. Для получения дополнительной информации о типах импульсных источников питания и типах SMPS с их принципами работы, не стесняйтесь писать свои комментарии для улучшения этой статьи технически, чтобы вы могли помочь другим читателям ознакомиться с SMPS.

    Краткое описание импульсного источника питания и его основное назначение

    Новости Редактор сайта Сайт /uploads/5d8319b1dd7d3.png В области технологии импульсных источников питания люди разрабатывают соответствующие силовые электронные устройства и технологии преобразования частоты переключения.Эти два продвигают друг друга, чтобы продвигать импульсные источники питания к легким, маленьким, тонким, малошумным, высоконадежным, с ежегодным темпом роста более двух цифр.

    Просмотры: 86 Автор: Редактор сайта Время публикации: Происхождение: Сайт

    В области импульсных источников питания люди разрабатывают соответствующие силовые электронные устройства и технологии преобразования частоты коммутации.Эти два продвигают друг друга, чтобы продвигать импульсные источники питания к легким, маленьким, тонким, малошумным, высоконадежным, с ежегодным темпом роста более двух цифр. Направление противоинтерференционных разработок. Сегодня мы в основном разберемся, что такое импульсный блок питания.

    Введение

    Импульсный источник питания, также известный как импульсный источник питания, переключающий преобразователь, представляет собой высокочастотное устройство преобразования электрической энергии, которое является своего рода источником питания.Его функция заключается в преобразовании уровня напряжения в напряжение или ток, требуемый пользователем, с помощью различных архитектурных форм.

    На входе импульсного источника питания в основном подается питание переменного тока (например, от сети) или постоянного тока, а на выходе — в основном оборудование, требующее питания постоянного тока, например персональный компьютер, а импульсный источник питания выдает напряжение. и текущее преобразование между ними.

    Импульсный источник питания отличается от линейного источника питания.Большинство переключающих транзисторов, используемых в импульсном источнике питания, переключаются между полностью открытым и полностью закрытым режимами. Оба режима обладают характеристиками низкого рассеяния, а при преобразовании между переключениями будет более высокое потребление. Но времени очень мало, поэтому он экономит энергию и выделяет меньше тепла.

    В идеале сам импульсный блок питания не потребляет электроэнергию. Регулировка напряжения достигается регулировкой времени включения и выключения транзистора.Напротив, в процессе линейного источника питания, генерирующего выходное напряжение, транзистор работает в области усиления, а также потребляет электрическую энергию.

    Высокая эффективность преобразования импульсного источника питания является одним из его преимуществ, а поскольку импульсный источник питания имеет высокую рабочую частоту, можно использовать небольшой размер и легкий трансформатор, поэтому импульсный источник питания будет меньше по размеру и легче линейного блока питания.

    Если ключевыми факторами являются высокая эффективность, объем и вес источника питания, импульсный источник питания лучше, чем линейный источник питания. Однако импульсный источник питания более сложен, и внутренний транзистор будет часто переключаться. Если коммутируемый ток не был обработан, могут возникнуть помехи и электромагнитные помехи, которые повлияют на другое оборудование, а если импульсный источник питания не разработан специально, коэффициент мощности источника питания может быть невысоким.

    Основное назначение

    Импульсные источники питания широко используются в управлении промышленной автоматикой, военном оборудовании, научно-исследовательском оборудовании, светодиодном освещении, промышленном контрольном оборудовании, коммуникационном оборудовании, силовом оборудовании, контрольно-измерительных приборах, медицинском оборудовании, полупроводниковом холодильном оборудовании. и отопление, очистители воздуха, электронные холодильники, жидкокристаллические дисплеи, светодиодное освещение, коммуникационное оборудование, аудиовизуальные продукты, мониторинг безопасности, светодиодные ленты, корпуса компьютеров, цифровые продукты и инструменты и другие области.

    Непрерывные инновации в технологии силовой электроники открывают для индустрии импульсных источников питания широкие перспективы развития. Если вы не знаете о внедрении импульсных источников питания, вы можете связаться с нами. Если вам нужен товар, вы можете посетить наш сайт.

    Что такое блок питания ПК и как он работает?

    SMPS подставка для импульсного источника питания .В основном это электронный блок питания, используемый в настольных компьютерных системах. Основная цель использования SMPS — передавать питание от источника переменного тока к устройствам постоянного тока при преобразовании напряжения и тока. Он в основном используется в бытовых продуктах, таких как персональные компьютеры. Импульсные источники питания могут выдерживать широкий диапазон частот и напряжений питания, поэтому их область применения возрастает. Из-за большого объема SMPS они теперь также используются в зарядных устройствах для мобильных телефонов, а стоимость мобильных зарядных устройств также была снижена.


    Импульсные источники питания также используются для преобразования постоянного тока в постоянный ток , и из-за этой функции SMPS, тяжелых транспортных средств, в промышленных установках, таких как телекоммуникационные стойки, силовые агрегаты и отдельные элементы оборудования, также используют постоянный ток / постоянный ток. импульсные преобразователи для питания любых напряжений.

    SMPS также использует импульсный стабилизатор для эффективного преобразования электроэнергии. Блок питания компьютера переключает A.C. (переменный ток) с на низкое напряжение D.C. (Постоянный ток) для работы периферийных устройств. В настоящее время компьютер использует SMPS в качестве основного источника питания. Компьютерный блок питания обычно меньше и легче по сравнению с линейным блоком питания из-за меньшего размера и веса трансформатора.

    В основном, элементы переключателей SMPS включают в себя катушки индуктивности, конденсаторы, трансформатор и всевозможные электрические компоненты для регулирования выходного напряжения и тока.


    Давайте рассмотрим процесс работы блока питания компьютера

    Фактическая работа источника питания ПК разделена на четыре различных части, и каждая из них имеет свою важную задачу для поддержания идеальной производительности электроэнергии.Вот список всех тех разделов, о которых я говорю:

    1. Входной выпрямитель: Первый шаг — преобразовать AC в DC с помощью процесса, называемого Rectification . Выпрямитель представляет собой модуль двухполупериодного диодного моста или , который используется для создания неконтролируемого постоянного напряжения на сглаживающем конденсаторе. Ток, потребляемый из сети этой схемой выпрямителя , возникает короткими импульсами около пиков переменного напряжения.Эти импульсы обладают значительной высокочастотной энергией, что снижает коэффициент мощности.
    2. Инвертор: На этом этапе DC преобразуется в AC через генератор мощности. Выходной трансформатор силового генератора очень низкий с частотой обмоток от десятков до сотен килогерц. Эти частоты выше 20 кГц и не слышны для человека. Переключение осуществляется усилителем MOSFET . Этот усилитель имеет низкое сопротивление и большую пропускную способность по току.
    3. Преобразователь напряжения : Если выходное напряжение выше 10 вольт , то используются кремниевые диоды . Если выходное напряжение на ниже 10 вольт , то в качестве выпрямителя используются диоды Шоттки . У них более быстрое время восстановления, чем у кремниевых диодов, а при проводимости падение напряжения невелико.
    4. Регулятор выхода : Фильтр, состоящий из катушек индуктивности и конденсаторов, используется для сглаживания выхода выпрямителя .Контур управления с обратной связью используется для регулирования выходного напряжения путем изменения рабочего цикла для компенсации изменений входного напряжения.

    Так выглядит задняя панель блока питания:
    • Вентилятор: Вентилятор находится на задней панели. Он используется для удаления воздуха внутри БП.
    • Порт источника питания: Эта часть потребляет электроэнергию от домашней розетки и подает ее на блок питания.
    • Выключатель питания: Выключатель питания используется для включения или ВЫКЛЮЧЕНИЯ блока питания.
    • Переключатель напряжения: Эта деталь используется для переключения напряжения с 110/115 В на 220/230 В или наоборот. Если в вашем блоке питания нет этой детали, вполне возможно, что разъем питания вашего блока питания универсальный или он предназначен только для определенного региона.

    Вот как выглядят разъемы блока питания:

    При установке блока питания в компьютер нам необходимо подключить все жизненно важные аппаратные кабели и разъем для передачи питания на различные компоненты компьютера.Их общие характеристики для различных настольных систем определены в руководствах Intel по проектированию, которые периодически пересматриваются.

    • Основной кабель питания ПК: Этот кабель подключается к задней панели блока питания и используется для питания блока питания. Это видно с внешней стороны БП.
    • Кабель питания SATA / MOLEX: Этот кабель соединяет блок питания с жестким диском. SATA означает Serial ATA или Serial Advanced Technology Attachment. SATA лучше, чем PATA , так как его скорость отправки данных намного выше.
    • 24-контактный ATX, основной кабель питания MOBO: Этот кабель является стандартным кабелем материнской платы, который используется в материнской плате каждого компьютера, и в основном этот кабель соединяет блок питания с материнской платой и обеспечивает все необходимое для материнской платы питание. Этот кабель либо доступен в виде 2 кабеля , либо может быть соединен с одним кабелем .
    • 6-контактный или 6 + 2-контактный кабель питания PCI Express: 6-контактный кабель используется для обеспечения дополнительного питания 12 В для плат расширения PCI Express .Слоты материнской платы PCI Express генерируют максимум 75 Вт . В основном он создан для видеокарты. Кабель 6 + 2 Pin аналогичен кабелю питания 6 pin PCI Express , но с на 2 контакта больше . Преимущество этого кабеля в том, что он обеспечивает максимальную мощность 150 Вт.
    • 8-контактный кабель питания процессора: Этот кабель используется для подачи питания на процессор.

    # Наконец, все особо важные виды вещей

    Номинальная мощность — Общие требования к мощности для высокопроизводительного компьютера с несколькими видеокартами могут варьироваться от 650 Вт от до более чем 1000 Вт, , где обычным персональным компьютерам обычно требуется от от 300 до 500 Вт. Рассчитано энергопотребление и сделано около на 40% больше, чем у блоков питания. Это сделано для защиты системы от перегрузки и снижения производительности. Общая потребляемая мощность системы — это сумма всех номинальных мощностей всех компонентов, которые получают питание от источника. Блок питания, сертифицированный производителем самостоятельно, будет требовать номинальных выходных характеристик, которые могут быть вдвое или больше, чем фактически предоставленные.

    Эффективность — Тест, проведенный в 2005 , показал, что блоки питания компьютеров эффективны на 70-80% и .Высококачественные блоки питания могут иметь КПД более 80%. В результате они энергоэффективны, тратят меньше энергии на тепло и требуют меньшего воздушного потока для охлаждения. В 2012 году БП стали эффективнее. Их КПД может достигать 90% при оптимальных уровнях нагрузки. КПД обычно достигает пика примерно при нагрузке 50–75%. Сейчас начаты различные действия по повышению эффективности компьютерных блоков питания. Эффективные блоки питания экономят деньги, поскольку они тратят меньше энергии, а затем сэкономленное электричество будет использоваться для обеспечения питания того же компьютера.

    Преимущества и недостатки — Одним из основных преимуществ SMPS является то, что он более эффективен, чем линейные регуляторы, поскольку переключающий транзистор рассеивает небольшую мощность, работая в качестве переключателя. Некоторые другие преимущества SMPS включают меньшего размера и меньшего веса , поскольку в SMPS исключаются тяжелые трансформаторы частоты сети и тепловыделение.

    Большая сложность, генерация высокой амплитуды, высокой частоты являются недостатками.Дешевый SMPS может создавать помехи для оборудования A / V , подключенного к той же фазе, из-за обратной связи с электрическими коммутационными шумами на линии электропитания.

    Меры предосторожности — После того, как шнур питания был отсоединен от стены, конденсатор главного фильтра может сохранять до 325 вольт. В некоторых ИИП отсутствует конденсатор утечки, который используется для медленной разрядки конденсатора. Любой контакт с этим конденсатором может привести к сильному поражению электрическим током. Конденсатор иногда подключается к первичной и вторичной обмоткам трансформатора, чтобы уменьшить EMI (электромагнитная индукция). Если трансформатор один, это может привести к поражению электрическим током .


    Часто задаваемые вопросы о импульсных источниках питания

    MPS Industries — американский производитель магнитных компонентов, специализирующийся на разработке индивидуальных трансформаторов, катушек индуктивности, синфазных дросселей, датчиков тока и многих других нестандартных магнитных устройств.

    Трансформаторы импульсного источника питания (SMPS) используют различные топологии переключения, передавая требуемую мощность от входа к выходу в электронных системах. Здесь мы ответили на некоторые из наиболее часто задаваемых вопросов об этой уникальной и эффективной трансформаторной технологии.

    Как работает импульсный силовой трансформатор?

    Импульсные трансформаторы используются в импульсных источниках питания для обеспечения питания ряда коммерческих и промышленных электронных систем.Эти трансформаторы очень эффективны при преобразовании основной мощности переменного тока (AC) в выходное напряжение постоянного тока (DC). Основная мощность переменного тока фильтруется через конденсатор при включении питания, что позволяет преобразовать его из переменного напряжения с помощью выпрямителей в нерегулируемое постоянное напряжение. Затем с помощью регулятора импульсный трансформатор преобразует это нерегулируемое напряжение постоянного тока в регулируемое выходное напряжение постоянного тока с различными уровнями напряжения.

    Каковы общие области применения импульсного силового трансформатора?

    Большинство современных электронных приложений полагаются на блоки питания, которые могут очень эффективно преобразовывать низкочастотную основную мощность переменного тока в хорошо регулируемое напряжение постоянного тока, необходимое для схемы.Трансформаторы SMPS часто предпочтительнее из-за их способности обеспечивать строго регулируемое выходное напряжение. Некоторые конкретные области применения этих трансформаторов включают:

    • Медицинские устройства
    • Устройства связи
    • Коммерческие источники питания
    • Системы безопасности
    • Вспомогательные материалы для ПЛК
    • Аудиовизуальные продукты

    Что отличает силовые трансформаторы с импульсным режимом от других Трансформеры?

    За счет внутреннего переключения транзистора между включенным и выключенным состояниями импульсные трансформаторы могут минимизировать рассеивание энергии источника питания, что приводит к более высокому КПД с меньшим тепловыделением по сравнению с трансформаторами, используемыми в линейных источниках питания.Для линейных источников питания обычно требуются большие силовые трансформаторы для повышения или понижения напряжения, прежде чем его можно будет подать в схему регулятора. Как правило, линейные силовые трансформаторы имеют тенденцию быть более громоздкими и значительно менее эффективными, чем импульсные силовые трансформаторы, которые меньше и компактны с учетом их более высокой рабочей частоты.

    Какие существуют топологии силового трансформатора с переключателем?

    Топология импульсного силового трансформатора относится к его конкретной конфигурации схемы.Некоторые из основных топологий, используемых при проектировании источников питания, включают:

    • Обратный ход: Обратный ход — это изолированная топология, в которой энергия, накопленная и сохраненная во время «включенного» состояния переключателя, передается на выход во время «выключенного». государство. Это одна из самых простых и недорогих изолированных топологий, которая лучше всего подходит для приложений с низким энергопотреблением.
    • Прямой преобразователь: Вместо того, чтобы хранить энергию в сердечнике, прямые преобразователи напрямую передают энергию между первичными вторичными сторонами.Как и обратноходовые преобразователи, прямые преобразователи лучше всего подходят для приложений с низким энергопотреблением.
    • Двухтактный: Двухтактная топология — это, по сути, прямой преобразователь с двойной обмоткой, что делает его гораздо более эффективным при использовании сердечника трансформатора по сравнению с обратноходовыми или простыми прямыми преобразователями.
    • Полумост: Полумост — это тип топологии прямого преобразователя. Топологии полумоста спроектированы так, что ток нагрузки может течь в двух направлениях.
    • Полный мост: Топология полного моста состоит из двух полумостов. Он имеет те же номиналы переключателей, что и полумост, но обеспечивает вдвое большую выходную мощность.
    • Привод затвора: Трансформаторы привода затвора используются в импульсных источниках питания для управления синхронизацией схемы посредством подачи электрических импульсов.

    Каковы преимущества использования импульсного силового трансформатора?

    Когда дело доходит до современных электронных приложений, трансформаторы SMPS предлагают несколько явных преимуществ по сравнению с альтернативными методами преобразования энергии постоянного тока.К ним относятся:

    • Более высокий КПД: Переключающее действие регулятора позволяет ему находиться либо во включенном, либо в выключенном режиме. Благодаря этому рассеивание энергии минимально, а мощность может использоваться чрезвычайно эффективно.
    • Более легкий вес: По сравнению с линейными трансформаторами импульсные силовые трансформаторы намного меньше и легче. Это возможно благодаря их высокой рабочей частоте и высокоэффективному использованию энергии.
    • Большая гибкость: В отличие от линейных трансформаторов, импульсные силовые трансформаторы способны создавать высокие преобразования как при повышении, так и при понижении напряжения.

    Каковы особенности конструкции трансформатора SMPS?

    При проектировании трансформатора SMPS важно учитывать следующие параметры:

    • Входное и выходное напряжение
    • Выходная мощность или ток
    • Частота переключения
    • Рабочий режим
    • Максимальный рабочий цикл IC
    • Безопасность стандарты
    • Требования к температуре
    • Требования к размеру

    Три основных конструктивных соображения — это форма, тип и размер сердечника, которые следует выбирать в зависимости от требований к питанию вашего приложения, топологии коммутации и ожидаемой частоты коммутации.Некоторые материалы сердечника обладают свойствами, которые делают их более подходящими для высокочастотных приложений. Также важно следить за тем, чтобы температура компонентов и проводки не превышала их номинальные температуры, так как это повлияет на общую надежность цепи. Также следует учитывать отраслевые требования безопасности, чтобы обеспечить соответствие вашей конструкции соответствующим нормативным стандартам.

    Есть ли какие-либо соображения по конструкции трансформатора для микросхем?

    Обычно инженеры-проектировщики наших клиентов начинают с интегральной схемы / микросхемы ИС, которая обычно имеет эталонный дизайн с предложениями по трансформаторам и другим компонентам, которые будут использоваться с микросхемой.Они могут либо начать с эталонного дизайна и изменить его в соответствии со своим приложением, либо они могут выбрать свой собственный дизайн с использованием микросхемы.

    В настоящее время мы работаем с несколькими компаниями по производству микросхем и уже работаем над некоторыми эталонными проектами. Тем не менее, мы определенно можем работать с заказчиком, чтобы поставить трансформаторы в соответствии с их эталонными проектами или создать индивидуальный дизайн для удовлетворения потребностей их приложений.

    Обратитесь в MPS Industries по вопросам управления трансформатором SMPS

    В MPS Industries наша команда инженеров-электротехников регулярно предоставляет рекомендации по магнитным компонентам и помощь в проектировании даже самых сложных промышленных систем.Если вам требуются незначительные изменения в стандартном продукте или полная индивидуальная разработка с нуля, наши инженеры обладают знаниями и ресурсами, чтобы соответствовать вашим точным спецификациям. Мы поддерживаем сильную систему управления качеством, чтобы гарантировать, что каждый поставляемый нами продукт соответствует ожиданиям клиентов или превосходит их, а также всем соответствующим отраслевым стандартам.

    Чтобы узнать больше о трансформаторах SMPS в MPS, перейдите по ссылкам ниже:

    Свяжитесь с нами сегодня по поводу любого из наших решений или услуг для магнитных компонентов!

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *