Импульсный блок питания как работает: Принцип работы у импульсного блока питания

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 В2. 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 трансформатор4.

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 электричеством6.

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 питания9. 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 монтажа10. 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]



Как работает импульсивный блок питания для чайников. Как работает импульсный блок питания

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?

Павел

Бакалавр «210400 Радиотехника» – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы

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

  • ДИНовские и РЭКовские источники питания
  • SKAT STELBERRY – блоки питания для питания профессионального аудиооборудования
  • ИБП резервный, интерактивный, он-лайн
  • Источники бесперебойного питания 220 В
  • Как выбрать блок бесперебойного или резервного питания

Ремонт Импульсных Блоков Питания: обучение в Bgacenter

ИБП предназначен для преобразования сетевого напряжения 220V в напряжения необходимые для стабильной работы подключенных к нему потребителей. Также PSU обеспечивает стабилизацию выходных напряжений, осуществляет защиту от коротких замыканий, выдает необходимую мощность, в зависимости от присоединенной нагрузки.

Данный материал подготовлен преподавателями Bgacenter, в рамках курса – ремонт импульсных блоков питания.

Импульсный блок питания

Как работает ИБП

Неисправности ИБП

Диагностика ИБП

Как проверить блок питания

Пайка блоков питания

Оборудование для ремонта ИБП

Выводы:

Импульсный блок питания

Для обеспечения нагрузки майнеров применяются ИБП различной мощности. В данном материале подробно рассматривается БП применяемый для разных моделей асиков.

В конструкцию ИБП APW7 входит:

  • корпус – из экранированной металлической коробки
  • печатная плата ИБП имеет установленные радиотехнические компоненты
  • система охлаждения состоит из принудительного вентилятора
  • провода необходимые для подключения нагрузки

Основную функцию выполняет плата с расположенными на ней элементами.

Сторона монтажа APW7

Элементы расположенные на печатной плате ИБП:

  1. FUSE предохранитель
  2. Варистор
  3. Конденсатор сетевого фильтра
  4. Дросселя
  5. Блокировочные конденсаторы
  6. Конденсатор сглаживающий
  7. Фильтрующие конденсаторы
  8. Силовые транзисторы
  9. Разъем для подключения вентилятора
  10. Сглаживающие конденсаторы синхронного выпрямителя
  11. Выходной трансформатор
  12. Диод
  13. PFC транзистор
  14. Терморезисторы NTC
  15. Реле
  16. Дроссель схемы PFC
  17. Диодный мост
Сторона печати APW7

Как работает ИБП

 

Итак, импульсный блок питания APW7 работает по следующему принципу:

  1. Схема защиты от превышения напряжения и короткого замыкания. Схема состоит из варистора и предохранителя в термоусадочной трубке. При превышении напряжения свыше 350 V срабатывает варистор (пробивается), предохранитель перегорает, защищая плату ИБП от повышенного напряжения. В таком случае, ремонт состоит из замены предохранителя.
  2. Следующий блок – это схема сетевого фильтра. В нее входит конденсатор два дросселя, еще один конденсатор и ряд блокировочных конденсаторов предназначенных для устранения сетевых помех и выбросов помех от блока питания в сеть. При незначительных скачках напряжения дроссель старается увеличить свое магнитное поле, в результате этого все повышенное напряжение поступающее из сети скачкообразно гасится на нем. Конденсаторы сглаживают выбросы от работы импульсного преобразователя и препятствуют проникновению в сеть.
  3. После сетевого фильтра стоят терморезисторы с отрицательным сопротивлением (NTC), которые работают на уменьшение сопротивления при нагреве. Это необходимо для ограничения тока через диодный мост в первоначальный момент зарядки конденсаторов сглаживающего фильтра, стоящих после диодного моста.
  4. Затем идет выпрямительный диодный мост, на нем получаем из переменного постоянное напряжение. Это напряжение на начальном этапе сглаживается фильтрующими конденсаторами большой емкости 470 мкФ на 450 V каждый. В этот момент времени на конденсаторах появляется напряжение порядка 315 V. 
  5. Так как у ИБП кроме активной мощности существует реактивная, что отрицательно сказывается для работы. Конструктивно это устраняется за счет схемы PFC (Power Factor Correction) – Коррекция фактора мощности. В данном ИБП она сконструирована на задающей микросхеме импульсов и полевого транзистора. Перед транзистором установлен мощный дроссель высокой индуктивности. В результате работы данной схемы, напряжение на конденсаторах фильтра возрастает до 390 Вольт и оно теперь является основным для питания схем преобразователя постоянного тока.
  6. Для работы ШИМ контроллера необходимо использовать постоянное напряжение +12 Вольт. Это напряжение формируется на вспомогательном трансформаторе и выпрямляется диодами. Также данное напряжение необходимо для питания системы охлаждения (вентилятора).
  7. От 12 Вольт вспомогательного источника питается схема ШИМ-контроллера, которая формирует импульсы для преобразователя постоянного тока, состоящего из силового трансформатора и двух полевых транзисторов. Импульсы подаются от ШИМ контроллера на задающий генератор. А уже с задающего генератора импульсы поступают на затворы транзисторов которые управляют силовым трансформатором.
  8. Импульсное напряжение полученное на вторичной обмотке трансформатора , за счет работы однотактного прямого преобразователя, поступает на схему синхронного выпрямителя. Где напряжение сглаживается синхронным фильтром построенным на конденсаторах и поступает на выходные клеммы для питания хешплат. Обратная связь и стабилизация напряжения осуществляется через схему ШИМ контроллера.
  9. Синхронный выпрямитель управляется от схемы формирователя постоянного тока.

Неисправности ИБП

Для импульсных блоков питания характерны следующие неисправности:

  • выход из строя диодного моста
  • поломка PFC транзистора
  • пробой силовых транзисторов
  • короткозамкнутые витки силового трансформатора или его обрыв
  • перегорание синхронного выпрямителя
  • изменение номинала емкости фильтра синхронного выпрямителя
  • отсутствие запускающих импульсов в ШИМ-контроллерах, вспомогательного источника 12V и основного 
  • неисправность реле (слышны щелчки, но ИБП не включается)
  • выгорание контактов клемм присоединяемой нагрузки
  • не держит нагрузку
  • не работает система охлаждения при исправном вспомогательном источнике 12 V
  • обрыв SMD резисторов питающих микросхемы ШИМ
  • неисправность SMD транзисторов в каскадах согласования

Диагностика ИБП

Ремонт блока питания APW7 начинается с внешнего осмотра. Следует обратить внимание на наличие механических повреждений и ранее выполнявшиеся ремонты. По отсутствию герметика и не отмытому флюсу, можно предположить, что ранее проводился ремонт – плату паяли. Диагностику платы начинаем с нахождения конденсаторов фильтра питания. Как правило они имеют большой размер. Смотрим номиналы его, как видим из надписи на конденсаторе он имеет параметры 450V 470 мкФ каждый.

Фильтрующие конденсаторы диодного моста

Для дальнейшего ремонта необходимо произвести его разряд, независимо от времени его нахождения в нерабочем состоянии. Тестером в режиме измерения постоянного напряжения убеждаемся в отсутствие напряжения на выводах конденсаторов. Для этого подключаем прибор со стороны печатной платы. Если есть напряжение, разряжаем конденсатор при помощи лампы накаливания мощностью 60W и проверяем заново тестером на отсутствие напряжения.

Только после этой процедуры можно выполнять дальнейший ремонт. Для облегчения поиска неисправности убеждаемся косвенно в отсутствие КЗ по цепи основного питания синхронного выпрямителя по основной цепи +12V.  

Для этого черный щуп прикладываем к выводу расположенному внизу, а красный к выводу расположенному вверху, мы должны увидеть исправные полевые транзисторы (показания мультиметра MS-319 (стрелочный), должно быть порядка 20 Ом). 

Замер выходного сопротивления по цепи 12V

Меняем местами щупы, происходит заряд конденсаторов и сопротивление увеличилось, это говорит о исправности выпрямителя.

Разряд конденсаторов выходного выпрямителя

Продолжаем ремонт, приступаем к диагностике силовой части. Тестером от разъема питания сети в режиме прозвонки проверяем вход одного провода до диодного моста (вход переменного обозначения). Тестер должен показывать 0 (или издать своеобразный звуковой сигнал), что сразу говорит о исправности одной цепи фильтра индуктивности и целостности печатного проводника и предохранителя. 

Проверка целостности предохранителя и LC фильтра до входа диодного моста

Аналогично проверяем второй провод, но на другой вывод диодного моста. Это говорит о исправности второго проводника.

Проверка провода и LC фильтра

Ремонт необходим, если мультиметр показал отличные от нуля значения. В таком случае ищем обрыв, устраняем его. В данном случае все исправно.

Далее проверяем сопротивление между двумя сетевыми контрольными точками входа. Оно должно быть высоким (тестер в режиме МОм). Измерение показало в данном случае высокое сопротивление. Это говорит об отсутствии КЗ на входе и исправности варистора. Убедившись в исправности входного блока проверяем диодный мост. 

Проверка варистора на отсутствие КЗ

Методика проверки диодного моста стандартная, режим диодной прозвонки. Убедившись в его исправности исследуем блок PFC и его цепи. Проверяем MOSFET (полевой транзистор). Ставим щупы между затвором и истоком, потом затвором и стоком – сопротивление должно быть высоким и тестер нам ничего не показывает. Это правильно.

Измерение сопротивления между затвором и стоком

Далее проверяем Сток-Исток. При приложении к истоку красного щупа, а к стоку черного, мы увидим падение напряжения на диоде порядка 0. 470 mV. В обратном приложении щупов мы не увидим никаких падений. Делаем вывод о исправности транзистора.

Проверка Сток-Исток полевого транзистора

Для измерения импульсов управления на затворе данного транзистора необходимо применить осциллограф. Если импульсы есть делаем вывод о исправности микросхемы и подачи импульса на затвор полевого транзистора.

Проверка ШИМ PFC

Далее проверяем цепь вспомогательного источника питания +12V, собранного на микросхеме ICE2QR4765 указанной по схеме принципиальной. Для этого в режиме диодной прозвонки ставим один щуп на + высоковольтного конденсатора, а второй на вывод 4 данной микросхемы ШИМ, убеждаемся в целостности обмотки трансформатора вспомогательного источника.

Проверка цепи питания микросхемы ШИМ и целостности обмотки трансформатора вспомогательного источника питания

Ремонт необходимо проводить при разряженном высоковольтном конденсаторе и отключенным ИБП от сети!

После этого проверяем работу основного ШИМ и цепей его питания согласно схемы электрической принципиальной. Далее проверяем полу мостовую схему на транзисторах MOSFET. Проверяются они при помощи мультиметра в режиме диодной прозвонки. Первоначально для каждого транзистора проверяем переход Затвор-Исток, мультиметр должен показать OL, это говорит о исправности перехода (он не пробит).

Измерение Затвор-Сток

Следующий шаг, в режиме измерения сопротивления проверяем Затвор-Исток. Одновременно проверяем сопротивление согласующего драйвера. Сопротивление исправного выхода должно быть от 10 до 20 Ом.

Проверка Затвор-Исток

Как видно из измерений, это косвенно говорит о исправности транзисторов. В случае сомнения в исправности транзисторов, их необходимо выпаять, проверить отдельно. Для проверки транзисторов применяется цифровой измеритель LCR-T4.

LCR-T4

Затем проверяем переход Сток-Исток на предмет короткого замыкания. Для этого устанавливаем красный щуп мультиметра на Исток, а черный подсоединяем к Стоку. Падение напряжения в режиме диодной прозвонки должно быть 0,434 V. Это говорит о исправности полевого транзистора.  

Измерение перехода Сток-Исток

При приложении щупов в обратном направлении мультиметр показывает OL.

Проверка перехода в обратном направлении

Как проверить блок питания

После успешного определения неисправностей и ремонта поврежденных элементов, блок необходимо протестировать. Для этого ИБП подключают через развязывающий трансформатор к питанию сети. Затем к PSU подключают электронную нагрузку необходимой мощности, для проверки на работоспособность. Тестирование выполняется на протяжении 1-2 часа. Для исключения повторного ремонта, не рекомендуется включать ИБП без подключенной нагрузки. 

Пайка блоков питания

Во время ремонта ИБП возникает необходимость проверки элементов. Для этого необходимо выпаять соответствующий элемент с печатной платы. Пайку важно производить аккуратно, используя паяльник требуемой мощности: 

  • от 80 Ватт – для ремонта силовых элементов: трансформатор, силовые транзисторы, выходные диоды, диодный мост, сглаживающие конденсаторы; 
  • до 60 Ватт (или термовоздушную паяльную станцию) – для ремонта компонентов малой и средней мощности.  

Если ИБП работал с нарушением температурных режимов (перегревался), то при удалении компаунда возможен отрыв SMD компонентов с печатной платы. Важно помнить про это, а при дальнейшем ремонте восстановить обвязку на плату.

При ремонте ИБП используется сплав Розе, для уменьшения температуры заводского припоя и исключения повреждения подводящих проводников. 

При монтаже необходимо припаивать на:

  • паяльную пасту с температурой плавления 183 градуса Цельсия – элементы малой мощности
  • ПОС 61-63 (Pb 61-63/ Sn 40) – силовые электронные компоненты.

После ремонта, перед проведением измерений на транзисторах, важно понизить температуру ИБП, так как в нагретом состоянии, ключи открыты.

Перед пайкой вновь устанавливаемых компонентов (транзисторов) их выводы нужно зачистить и залудить.

После пайки, необходимо отмыть спиртом или другим очистителем те места где выполнялась пайка.

Оборудование для ремонта ИБП

Используемое во время ремонта ИБП оборудование, расходные материалы:

  • набор отверток
  • бокорезы 
  • пассатижи
  • разрядная лампа
  • мультиметр
  • осциллограф
  • LCR-T4
  • SMD-tester 3910
  • паяльник от 80 Ватт
  • фен термовоздушной станции Quick 857DW+
  • микроскоп СМ0745
  • бор-машинка
  • оловоотсос электрический
  • пинцет
  • зонд стоматологический (зубочистки деревянные)
  • флюс паяльный
  • паста BGA
  • очиститель платы Falcon 530
  • зубная щетка
  • оплетка медная шириной 1,5 и 3,0 мм
  • сплав Розе 
  • ацетон для смывания лака

Выводы:

  • ИБП – сложное электронное устройство. Ремонт импульсного блока питания в случае возникновения неисправности, необходимо выполнять зная принцип его узлов и элементной базы 
  • Для определения неисправности ИБП важно соблюдать технику безопасности, так как имеются опасные напряжения от 300 до 400 V, в зависимости от конструкции блока (без PFC 300V с PFC 390V)
  • Ремонт иногда осложняется наличием трудно удаляемого влагозащитного покрытия. В своей конструкции ИБП имеет мощные выводы силового трансформатора. Для его выпаивания требуется паяльник с большей мощностью. При ремонте необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить токопроводящие дорожки
  • ИБП для проверки, после выполненного ремонта, обязательно включается под нагрузку. С отключенной нагрузкой могут выйти из строя силовые ключи
  • Для того чтобы научиться ремонту импульсных блоков питания для майнеров, приглашаем вас на соответствующий курс в Bgacenter

ИМПУЛЬСНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ SMPS

В последние годы происходит повсеместная замена обычных трансформаторных источников питания современными импульсными блоками питания (далее именуемые SMPS – Switching Mode Power Supply).

При проектировании импульсных трансформаторов использовались следующие требования:

  • высокая производительность
  • небольшие размеры
  • минимальное рабочее напряжение
  • низкая частота сбоев
  • низкий ток холостого хода

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.

Схемотехника источников питания SMPS

Вот мы и дошли до практики. В зависимости от требуемой выходной мощности используются разные типы источников питания. Рассмотрим типы трансформаторных схем

Обратноходовый преобразователь

На приведенной схеме показаны основные формы сигналов тока и напряжения для обратноходового трансформатора.

Базовая схема flyback с трансформатором

В первой фазе цикла переключатель подключает дроссель L непосредственно к входному напряжению. Из-за постоянного входного напряжения Ue через дроссель протекает линейно возрастающий ток.

В этой фазе диод D заблокирован. Когда кнопка S открывается, полярность на дросселе меняется на обратную, так что диод проводит и энергия, накопленная в дросселе, передается нагрузочному конденсатору CLi R1. Дроссель действует как источник энергии. Таким образом, регулируя время зарядки на заданной частоте, можно менять энергию запасенную в дросселе.

Чтобы получить гальваническую развязку между входом и выходом схемы, дроссель заменяется трансформатором. Этот элемент действует как промежуточный накопитель энергии, так что цепь нагрузки может использовать энергию запасенную в трансформаторе, и тогда отсутствует прямая нагрузка на источник питания.

Условием сохранения энергии будет наличие в сердечнике трансформатора воздушного зазора или изолирующей прокладки между обеими половинами сердечника (которая имеет тот же эффект, что и воздушный зазор в средней части сердечника), но использование воздушного зазора в средней части сердечника обеспечивает лучшую обратную связь между обмотками.

Преобразователи прямоходового типа

На рисунке показана базовая схема преобразователя прямоходового типа. Когда ключ S замкнут, то линейно возрастающий ток течет через катушку непосредственно к конденсатору Ca и к нагрузке R1. На этом этапе энергия одновременно передается на дроссель и нагрузку. Диод D заблокирован.

Базовая схема прямоходового электропитания

Когда ключ открывается, магнитное поле дросселя прерывается. Полярность дросселя меняется, открывая диод. Энергия от дросселя через диод поступает на конденсатор и на нагрузку. Поскольку передача энергии в выходную схему также происходит при замкнутом ключе, тип этого трансформатора называется прямоходовым. Как и в случае трансформаторов обратного хода, энергия, запасенная в индуктивности в этом типе блока питания, может быть изменена за счет различного времени переключения.

Прямоходовое электропитание с трансформатором

На этой схеме показан источник питания прямого типа с трансформатором для разделения и преобразования сетевого напряжения. При использовании сердечника без воздушного зазора между первичной и вторичной обмотками поддерживается постоянный магнитный контакт. Но сбор и сглаживание выходного тока необходимо реализовать в отдельном дросселе Ls, для каждого выходного напряжения отдельно. Энергия, запасенная трансформатором во время фазы проводимости, передается на L1, Dl, Ce в фазе блокировки. Диод открывается при изменении полярности дросселя накопителя энергии.

Двухтактные преобразователи

Фактически, двухтактные трансформаторы состоят из двух соединенных между собой одиночных трансформаторов.

Базовая схема источника питания двухтактного типа

Переключатели S1 и S2 поочередно подключают первичную обмотку к источнику Ue. По сравнению с трансформатором прямого и обратного хода эта конфигурация обеспечивает возможность полной петли гистерезиса. Благодаря биполярной системе можно получить вдвое большую мощность при том же размере сердечника.

Двухтактный преобразователь

Даже при больших изменениях нагрузки, двухтактный трансформатор генерирует симметричное выходное напряжение, что позволяет напрямую использовать переменное напряжение без предварительного выпрямления, например в галогенном освещении.

Выбор вариантов схем электропитания

Однотранзисторный прямой преобразователь

Преимущества:

  • легкое размагничивание сердечника
  • дешевый в сборке

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
  • необходима размагничивающая обмотка
  • нужна хорошая магнитная связь между первичной и размагничивающей обмоткой

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Двухтактный преобразователь

Преимущества:

  • управляющее напряжение транзисторов имеет одинаковое значение

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
  • проблемы связанные с симметричностью
  • нужна хорошая магнитная связь между первичными обмотками
  • опасность одновременной проводимости транзисторов

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Двухтранзисторный прямой преобразователь

Преимущества:

  • напряжение на транзисторе Uds = Ue
  • легкое размагничивание сердечника
  • трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

  • управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Односторонний двухтактный преобразователь

Преимущества:

  • напряжение на транзисторе Uds = Ue
  • трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

  • проблемы, связанные с симметризацией
  • опасность одновременной проводимости транзисторов
  • управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Мостовой двухтактный преобразователь

Преимущества:

  • напряжение на транзисторе Uds = Ue
  • трансформатор может иметь большую индуктивность рассеяния

Недостатки:

  • проблемы, связанные с симметризацией
  • опасность одновременного включения транзисторов на одном плече моста
  • управляющие напряжения должны быть гальванически развязаны

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Обратноходовый преобразователь

Преимущества:

  • можно регулировать несколько выходных напряжений одновременно
  • большой диапазон регулировки при изменении входного напряжения

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
  • сильная нагрузка на конденсатор и диод на выходе
  • необходим сердечник большого поперечного сечения с воздушным зазором
  • проблемы связанные с излучением электромагнитным и вихревые токи

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Инвертирующий (Buck-boost) конвертер

Преимущества:

  • напряжение на транзисторе Uds = Ue
  • простой дроссель
  • нет проблем с магнитной обратной связью
  • небольшая нагрузка на входной конденсатор

Недостатки:

  • нет гальванической развязки между входом и выходом
  • управляющее напряжение должно быть «плавающим»

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Повышающий преобразователь

Преимущества:

  • простой дроссель
  • нет проблем с магнитной обратной связью

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds = Ua> Ue
  • нет гальванической развязки между входом и выходом
  • средняя нагрузка на выходной конденсатор

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Понижающе-повышающий преобразователь

Преимущества:

  • простой дроссель
  • нет проблем с магнитной обратной связью

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds = Ua + Ue
  • нет гальванической развязки между входом и выходом
  • сильная нагрузка на выходной конденсатор
  • управляющее напряжение должно быть «плавающим»
  • выходное напряжение отрицательно по отношению к входному напряжению

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Обратноходовый конвертор

Преимущества:

  • увеличивает или снижает напряжение при сохранении гальванической развязки входа и выхода 

Недостатки:

  • обратное напряжение на транзисторе Uds> 2Ue
  • сильная нагрузка на конденсатор и диод на выходе
  • необходим сердечник большого поперечного сечения с воздушным зазором
  • проблемы связанные с излучением электромагнитным и вихревые токи

Twt / T – коэффициент заполнения

a. форма волны напряжения на транзисторе
b. выходной ток
c. форма волны тока, протекающего через входной конденсатор
d. форма волны тока, протекающего через выходной конденсатор

Какую надо выбирать схему? Зависит от области применения. В любом случае во всех современных приборах используется импульсный источник питания. И несмотря на более сложную структуру, они значительно лучше своих предшественников с точки зрения эффективности и удельной мощности.

   Форум по БП

Импульсные блоки питания — ознакомьтесь с широким ассортиментом продукции

Импульсные блоки питания: универсальные изделия для любого случая применения

Импульсные блоки питания: универсальные изделия для любого случая применения

Как в круглосуточных производственных помещениях, так и в применениях с наивысшими требованиями к безопасности, а также в области простых применений в серийном машиностроении, три решающих фактора особенно важны с точки зрения экономической эффективности: доступность установок, эксплуатационные расходы и потребности в энергии. В результате требования к импульсным блокам питания являются высокими. Поэтому при выборе правильного источника питания особое внимание следует уделять долговечности, энергоэффективности и надежности. В то время как решения по экономии пространства все чаще становятся очевидным выбором из-за постоянно растущего спектра выполняемых функций, способность к коммуникации также играет все более решающую роль. Наши импульсные блоки питания соответствуют всем этим требованиям, обеспечивая при этом эффективность и конкурентоспособность вашего бизнеса.

Ассортимент наших импульсных блоков питания

Высококачественные источники питания PROtop: надежные источники питания от компании Weidmüller

Высококачественные источники питания PROtop: надежные источники питания от компании Weidmüller

Высококачественные источники питания должны работать эффективно и надежно даже в сложных промышленных условиях, обеспечивая при этом высокую безопасность. Благодаря инновационной технологии DCL импульсные источники питания, используемые в системах электропитания PROtop, обладают уникальным запасом импульсной энергии. Идеально подходит для инициирования импульса или как источник дополнительной энергии для запуска мощного двигателя.

Дополнительные серии изделий и принадлежности

Оптимизируйте свой источник питания с помощью аксессуаров из ассортимента Weidmüller. Например, создав резервный источник питания с помощью наших модулей, можно защитить импульсные блоки питания от сбоя напряжения контрольных цепей 24 В постоянного тока. У нас есть подходящий продукт под любые требования, а также мы поможем вам подобрать подходящее решение для ваших нужд.

Модули резервирования и светодиодные модули

Модули резервирования и светодиодные модули

Установка резервного источника питания имеет два преимущества: напряжение контрольных цепей 24 В пост. тока не пропадет ни в случае отказа источника питания, ни при сбое отдельной фазы. Каждая резервная ветвь по отдельности может обеспечивать полную выходную нагрузку.

Воспользуйтесь нашими сервисами и опытом на рынке благодаря импульсным блокам питания

Воспользуйтесь нашими сервисами и опытом на рынке благодаря импульсным блокам питания

Что бы ни было для вас важно в отношении импульсных блоков питания, мы всегда предоставим вам лучшие советы. Мы обеспечим вам полный уровень обслуживания и гарантируем максимальную эффективность работы вашего предприятия. Мы всегда готовы оказать вам поддержку, начиная информации о доступных продуктах и заканчивая предоставлением полной информации о продукции. Вы также можете положиться на наш многолетний опыт и связанные с этим знания, которыми мы всегда рады поделиться с вами. Вы можете связаться с нашими специалистами в любое время, обратившись в нашу службу поддержки клиентов.

Области применения наших импульсных блоков питания

Благодаря широкому спектру предлагаемых нами различных семейств импульсных блоков питания, вы можете найти подходящий импульсный блок питания для большинства применений. Будь то машиностроение или производство, обрабатывающая промышленность, судостроение, энергетика, электромобили или строительные системы и технологии — мы найдем идеальное решение для ваших потребностей. Мы поможем вам определить безопасный источник питания, который будет инновационным, мощным и экономически выгодным для вашего применения.

Ключевой фактор — функциональная надежность

Ключевой фактор — функциональная надежность

Для своих системных решений в области железнодорожного и городского транспортного сообщения HANNING & KAHL полагается на технологию, которая, по мнению компании, выдержит испытание временем — например, электронные решения от Weidmüller.

Подробнее

Мы предоставим вам полную информацию о продукте и свои экспертные знания. В обзоре ассортимента наших отдельных продуктов вы найдете ответы на любые вопросы, которые могут возникнуть у вас. Кроме того, можно загрузить наш каталог продукции, чтобы определить, какие именно импульсные блоки питания вам нужны.

Консультации и поддержка

Вы ищете высококачественные решения по управлению мощностями с отдельными дополнительными надежными функциями, которые могут быть использованы в международном контексте? Если это так, то Weidmüller найдет решения, отвечающие вашим точным требованиям. Мы поможем вам определить подходящие импульсные блоки питания, которые повышают эффективность при экономии пространства. Независимо от того, ищете ли вы высокую надежность, эффективную систему или наименьший размер, у нас есть все, что вам нужно. Воспользуйтесь нашим опытом, чтобы найти импульсные блоки питания, которые подойдут вам.

Как работают импульсные блоки питания, блок за блоком

Введение

Хотя вы указываете и используете блоки питания в своих проектах, они могут быть «черным ящиком» с неизвестным внутренним устройством. Хотя вам не нужно быть экспертом по проектированию блоков питания, есть преимущества в понимании основных внутренних блоков блоков питания. В этой статье мы представим топологию источника питания и обсудим каждый из внутренних функциональных блоков, чтобы дать общее представление об основных цепях, внутренних для источников питания.

Внутри блоков питания

Блок-схема на рис. 1 представляет многие блоки питания переменного/постоянного или постоянного/постоянного тока. Разница в блок-схеме между входными источниками переменного и постоянного тока по сравнению с источниками постоянного тока заключается в выпрямителе с диодным мостом. Схема выпрямителя (диоды D1, D2, D3, D4) требуется в источниках питания переменного/постоянного тока и не требуется для источников питания постоянного/постоянного тока, в противном случае топологии источников питания могут быть идентичными.

Рис. 1: Упрощенная блок-схема импульсного источника питания переменного/постоянного тока

Фильтр EMI/EMC

Блок фильтра EMI/EMC может быть либо компонентом, размещенным внутри источника питания разработчиком источника питания, либо добавленным в качестве внешнего компонента пользователем источника питания. Компоненты EMI/EMC могут потребоваться для выполнения следующих функций:

  • Минимизация излучаемых и кондуктивных помех на входе источника питания
  • Свести к минимуму влияние переходных процессов напряжения от источника входного напряжения
  • Минимизировать входной импульсный ток при первой подаче напряжения на вход источника питания
  • Защита входного источника питания и проводников в случае отказа источника питания

Если компоненты EMI/EMC являются внутренними для источника питания, группа разработчиков источника питания выбирает компоненты на основе максимального номинального выходного тока при резистивной нагрузке. Ваше приложение, вероятно, не будет работать в тех условиях, в которых оценивалась команда разработчиков. Таким образом, может возникнуть потребность в дополнительных внешних компонентах, чтобы ваша система соответствовала нормативным требованиям EMI/EMC, даже если в комплект поставки уже входят внутренние компоненты EMI/EMC.

Рис. 2: Входной фильтр EMI/EMC

Диодный мостовой выпрямитель

Как упоминалось ранее, диодный мостовой выпрямитель используется для преобразования входного переменного напряжения в постоянное напряжение для использования в источнике питания. Схема выпрямителя отсутствует в источнике питания, рассчитанном только на входное напряжение постоянного тока, поскольку постоянное напряжение уже присутствует. Однако многие источники питания, рассчитанные на входное напряжение переменного тока, также питаются от входного напряжения постоянного тока. Если постоянное напряжение подается с диодным мостом на входе источника питания, постоянное напряжение может быть подключено в любой полярности и будет проходить через диоды и появляться на входном объемном конденсаторе.

Рис. 3: Диодный мостовой выпрямитель

Входной конденсатор большой емкости

Входной конденсатор большой емкости фильтрует постоянное напряжение от диодов выпрямителя в источниках питания переменного/постоянного тока и действует как входной фильтр в источниках питания постоянного/постоянного тока. Когда входное напряжение впервые подается на источник питания, напряжение на входном конденсаторе большой емкости будет равно 0 В. Эта разница в напряжении между приложенным напряжением и напряжением на конденсаторе большой емкости может вызвать большой входной импульсный ток во время зарядки конденсатора большой емкости. к входному напряжению. Этот пусковой ток может быть проблемой, так как он может в 100 раз превышать нормальный входной рабочий ток. Часто ограничитель пускового тока, который может быть простым резистором небольшого номинала, подключается последовательно с клеммой входного напряжения для ограничения пускового тока.

При питании постоянным током входной объемный конденсатор может помочь компенсировать импеданс входных проводников и стабилизировать динамический входной импеданс источника питания. Эта веб-страница содержит более подробную информацию о входном сопротивлении источника питания и о том, как это может вызвать колебания источника питания.

Рис. 4: Входной объемный конденсатор

Входной переключатель питания

Электронный переключатель (нарисованный как полевой МОП-транзистор) преобразует входное постоянное напряжение в переменное, чтобы мощность могла проходить через изолирующие магниты (трансформатор или связанные катушки индуктивности). Рабочий цикл входного управляющего сигнала и, следовательно, выходного сигнала от ключа питания зависит от топологии источника питания, входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока нагрузки. В источниках переменного/постоянного тока причиной преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а затем обратно в переменное является то, что внутренняя частота переменного тока намного выше (от десятков килогерц до десятков мегагерц) и, следовательно, можно использовать меньшие магнитные изоляторы и компоненты выходного фильтра. выбрано. Кроме того, внутренняя форма волны переменного тока может модулироваться как часть топологии преобразования энергии.

Рис. 5: Входной выключатель питания

Магнитная изоляция

Общим элементом, используемым для магнитной изоляции, является либо трансформатор, либо связанные катушки индуктивности. В случае трансформатора или связанных катушек индуктивности имеется одна или несколько обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах изолирующего барьера. В физической конструкции изолирующих магнитов будет паразитная емкость между первичной и вторичной обмотками. Эта паразитная емкость может быть источником проблем EMI/EMC, которые необходимо решить и которые будут обсуждаться в отдельной веб-статье. Диаграмма на рисунке 6 представляет паразитную емкость, связанную с обмотками. Следует отметить, что на практике емкость не является сосредоточенным элементом, как показано на диаграмме, а скорее распределяется по обмоткам и между ними.

Рис. 6: Изолирующие магниты с сосредоточенным конденсатором, представляющим паразитную емкость

Выходной выпрямитель

Выходное напряжение изолирующих магнитов имеет форму волны переменного тока и нуждается в выпрямлении для получения выходного напряжения постоянного тока. Для выпрямления можно использовать либо пассивную схему (диоды), либо активную схему (полевые транзисторы). Схема выпрямления может быть полуволновой, двухполупериодной или другой конфигурации, в зависимости от требований к выходному напряжению и конструкции изолирующего магнита. Диодные выпрямители недороги и просты в конструкции, но рассеиваемая мощность будет больше, чем если бы была реализована активная схема выпрямителя на полевых транзисторах.

Рис. 7: Выходной выпрямитель

Выходной фильтр

Выходной выпрямитель вырабатывает постоянное напряжение, на которое накладывается переменное напряжение. Без выходной фильтрации размах шума переменного тока будет равен напряжению постоянного тока, что неприемлемо для большинства приложений. Базовый выходной фильтр представляет собой один или несколько конденсаторов, помещенных параллельно выходному напряжению. Выходную фильтрацию можно улучшить, добавив последовательную катушку индуктивности для создания фильтра «L» или фильтра «Pi». Выходной фильтр иногда применяется для подавления электромагнитных помех/электромагнитных помех. Выходные фильтры наиболее эффективны, когда компоненты расположены близко к нагрузке источника питания. Размещение компонентов фильтра близко к нагрузке сводит к минимуму падение напряжения на проводниках, вызванное колебаниями тока нагрузки.

Рисунок 8: Конденсатор выходного фильтра

Контроль напряжения, тока и температуры

Цепи для регулирования выходного напряжения, выходного тока и максимальной температуры источника питания также включены в блоки питания переменного/постоянного и постоянного тока. Эти схемы управления имеют сложный набор характеристик и обсуждаются в отдельной веб-статье.

Заключение

В этом обсуждении на высоком уровне были рассмотрены внутренние функции источников питания переменного/постоянного и постоянного тока. В других статьях мы обсуждаем функции, включенные для регулирования выходной мощности источника питания, методы, используемые для защиты источника питания и нагрузки от аварийной работы, компоненты, необходимые для соответствия нормативным требованиям EMI и EMC, а также влияние модификаций на спецификации источника питания. Если у вас есть вопросы относительно того, как они относятся к источнику питания, выбранному для вашего проекта, обратитесь в отдел продаж и поддержки клиентов CUI для получения дополнительной информации по темам, затронутым в этом обсуждении.

Категории: Основы , Выбор продукта

Вам также может понравиться

Вопросы электромагнитной совместимости для импульсных источников питания

Технический документ

Отрицательное сопротивление и почему ваш преобразователь постоянного тока может работать неправильно —

Блог о мощности

Сравнение изолированных и неизолированных преобразователей мощности

Блог о мощности


Есть комментарии по этому посту или темам, которые вы хотели бы видеть в будущем?
Отправьте нам письмо по адресу [email protected] com

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

Часть 2: Как работают импульсные источники питания? Исторический обзор революционных технологий электропитания

  • фейсбук
  • твиттер
  • Линкедин

Эта статья представляет собой переиздание переработанного/переписанного контента из прошлого. Он может содержать устаревшую техническую информацию и ссылки на продукты, которые в настоящее время не доступны в TDK.

Электронные устройства, оснащенные ИС и микрокомпьютерами, требуют стабилизированного постоянного тока с небольшими колебаниями напряжения. Стабилизированные источники питания бывают двух типов: линейные и импульсные. Импульсные источники питания преодолели ограничения обычных линейных источников питания, добившись революционной миниатюризации, снижения веса и высокой эффективности. Импульсные источники питания воплощают в себе ключевые технологии энергетических решений.

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

Адаптер переменного тока, который преобразует обычный переменный ток в постоянный, является хорошим примером для изучения основных технологий, лежащих в основе источников питания. В прошлом адаптеры переменного тока обычно были тяжелыми и громоздкими предметами, но сегодня они намного легче и меньше, примером чего является зарядное устройство для мобильного телефона. Это связано с тем, что метод переключения стал основным с начала 2000-х годов, заменив традиционный линейный метод.

Различия между линейным и импульсным методами обсуждаются ниже, но сначала давайте рассмотрим простой обычный адаптер переменного тока — простой линейный источник питания без схемы стабилизации. Этот тип адаптера переменного тока имеет простую схему и низкую стоимость и используется в стационарных беспроводных телефонах, колонках для настольных компьютеров, электроинструментах и ​​т. д. Хотя по внешнему виду трудно сказать, большая часть его веса и объема связана с силовой трансформатор внутри, состоящий из катушки, намотанной на сплошной железный сердечник. Силовой трансформатор преобразует переменное напряжение 100 В в более низкое переменное напряжение. Затем переменный ток выпрямляется с помощью диодов — элементов, которые пропускают ток в одном направлении, но блокируют 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, основное 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 имеет одно и то же направление, заряжая конденсатор. При пульсирующих токах ток и напряжение сильно циклически колеблются, и конденсатор соответственно разряжает накопленную энергию, чтобы подавить эти колебания. В сглаживающих цепях требуются конденсаторы большой емкости; таким образом, 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 имеют решающее значение для цифровых электронных устройств

Блок питания переменного/постоянного тока, такой как адаптер переменного тока, предназначен для получения постоянного тока от коммерческого источника переменного тока. Однако качество DC сильно различается. В простом сетевом адаптере даже после того, как пульсирующий ток сглажен, в осциллограмме остаются пульсации. Колебания напряжения коммерческого входа 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 ИС, что потребует более равномерного и стабильного постоянного тока. Источник питания, снабженный для этой цели стабилизирующей схемой (регулятором), называется стабилизированным источником питания.

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

Диоды Зенера

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 прикладывается в обратном направлении и постоянно увеличивается, в конечном итоге будет достигнут порог, при котором диод резко начинает пропускать ток. Диоды Зенера используют это явление, чтобы позволить току течь только выше определенного напряжения; таким образом, его можно использовать для поддержания постоянного выходного напряжения.

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

Импульсные источники питания позволили уменьшить размеры, вес и повысить эффективность

Наконец-то мы добрались до объяснения импульсных источников питания. Одним из наиболее распространенных среди нас импульсных источников питания является адаптер переменного тока мобильного телефона. Хотя его схема намного сложнее, чем у элементарного адаптера переменного тока, упомянутого ранее, он исключительно компактен благодаря микросхемам, используемым в схеме стабилизации. Тот факт, что в нем отсутствует большой и тяжелый силовой трансформатор, 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 улучшения размера и эффективности происходили медленно. Это было присуще линейным источникам питания, поскольку для отвода тепла от транзисторов требовались радиаторы, а трансформаторы были тяжелыми и громоздкими.

В импульсных источниках питания

применен совершенно другой подход к преодолению недостатков линейных источников питания. (Их разработка была поддержана программой НАСА «Аполлон».) Ключевое различие между двумя методами заключается 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 полевые МОП-транзисторы) управляют высокоскоростным переключением, 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 блока питания.

Существует несколько методов управления импульсными источниками питания, но наиболее распространен метод ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Ширина импульсов (время включения и выключения тока) регулируется таким образом, чтобы «площадь» каждого импульса (как показано на графике) была нормализована 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, потому что он формирует выходную мощность, как если бы он вырезал и склеивал форму волны, при этом тратилось очень мало 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 импульсных волн импульсного источника питания очень высока — от десятков до сотен килогерц, — для чего достаточно гораздо меньшего и легкого трансформатора. Однако на высоких частотах трансформаторы с железными сердечниками становятся непрактичными из-за чрезмерных потерь мощности. Здесь незаменимым становится ферритовый сердечник. Например, повышение эффективности источников питания всего на 1% может оказать существенное энергосберегающее воздействие на общество в целом. Вот почему возлагаются большие надежды на ферритовые технологии TDK в области силовой электроники. Вместе с тем, у импульсных блоков питания есть и свои недостатки: в основном это генерация шума из-за высокоскоростного переключения. Традиционно блоки питания долгое время представляли собой борьбу с нагревом, а шум — дополнительная проблема. Это еще одна область, в которой вступают в игру технологии TDK.

Чем отличается импульсный блок питания от линейного, как он работает?

Когда нам нужен высокоэффективный блок питания небольшого размера. Многие выбирают импульсный блок питания. Раньше мне нравился линейный источник питания. Но иногда я должен попробовать другие способы.

В этом посте мы узнаем, что такое импульсный блок питания и линейный, как он работает?

Возможно, вам это нравится так же, как и мне. После прочтения этой статьи.

Какие существуют типы источников питания

Знакомство с выпрямителем переменного тока в постоянный, простой, но очень полезный

1# Сеть переменного тока в постоянный Импульсный мостовой выпрямитель

2# Полупериодный выпрямитель из ВЧ-сигнала переменного тока

3# Двухполупериодный Выпрямитель с использованием трансформатора с центральным отводом

4# Двухполупериодный мостовой выпрямитель с понижающим трансформатором

Выбор диодов для схемы выпрямителя

Пиковое обратное напряжение- PIV

Прямой ток-IF

Насколько важен фильтр

Высокочастотный трансформатор

Что такое высокочастотный импульсный регулятор

Импульсный широтно-импульсный регулятор

Гибридный импульсный регулятор 5 0 В 4 0 В 900 Принцип работы 900 Гибридный импульсный регулятор

Learn Flyback Switching Regulator Works

Схема прямого импульсного стабилизатора мощностью от 80 до 200 Вт

Двухтактный импульсный блок питания

Заключение

Похожие сообщения

Какие бывают типы блоков питания

Блок питания является источником энергии для различных цепей. Он преобразует сеть переменного тока в напряжение постоянного тока. Это фиксированное или переменное напряжение, применяемое в ваших работах.

Существует 2 основных типа источников питания:

  • Обычно используется линейный источник питания.
    Это просто схемы не сложны. Но они большие и с низким КПД всего около 50% и более. При их работе несут потери в виде сильного нагрева.
  • Импульсный источник питания В настоящее время
    Многие работы, выберите этот тип источника питания. Потому что небольшой высокий КПД составляет около 85% или более. Представьте, что мы вводим 100% электрическую энергию. Он может быть преобразован в 85% энергии. И 15% теряется энергия в виде тепла.

А вот схема импульсного питания довольно сложная. Чего раньше я старался избегать, потому что не был уверен, что смогу легко это объяснить.

Готовы начать?

Начнем с рассмотрения блок-схемы импульсного блока питания. Хотя конструкция выглядит сложной. Но если схему можно разделить на части, ее будет легче понять.

Блок-схема импульсного источника питания

Изюминкой этой схемы является работа с высокой частотой. Поэтому имеет меньший трансформатор. Имеется система коммутации с высокими частотами.

Входная и выходная цепи включают в себя выпрямитель и фильтрующую цепь. и детектор напряжения ошибки для контроля стабильного напряжения.

Конечно, сейчас вы можете не понять. Но при чтении в следующем разделе друзья поймут больше.

Что еще?

Импульсный источник питания имеет 4 типа выпрямительных цепей

Преобразовать переменный ток в постоянный легко, но очень полезно

Импульсный источник питания будет иметь схему выпрямителя как на входе, так и на выходе. Большинство из них представляет собой схему мостового выпрямителя.

Детали, преобразующие переменный ток в постоянный, это выпрямитель. В линейной схеме эта схема важна. В схеме импульсного питания большое значение имеет и схема выпрямителя.

Важным устройством является диод, представляющий собой полупроводниковое устройство, пропускающее ток только в одном направлении. Затем напряжение постоянного тока будет проходить через фильтр, чтобы сгладить ток.

Рекомендуется: Как работает схема выпрямителя

В импульсном источнике питания есть 4 типа цепей выпрямителя:

1#

Импульсный мост переменного тока в постоянный ток

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

Входное переменное напряжение в импульсное напряжение постоянного тока с использованием мостового выпрямителя.

Входное переменное напряжение 220 В (среднеквадратичное значение) или 311 Впик выпрямляется до импульсного постоянного напряжения 160 Впик. Затем дело доходит до принципиальной схемы радиочастотного переключателя.

2#

Однополупериодный выпрямитель от ВЧ-сигнала переменного тока

В импульсном источнике питания входной сигнал постоянного тока будет коммутироваться высокочастотным ВЧ-сигналом. Затем понижающий трансформатор преобразует его в переменный ток низкого напряжения. Далее он поступает на однополупериодный выпрямитель, тоже в импульс постоянного тока.

3# Двухполупериодный выпрямитель с использованием трансформатора с центральным отводом

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

Для этой схемы не нужен трансформатор с центральным отводом, но нам нужно использовать еще 2 диода.

Выбор диодов для схемы выпрямителя

Есть 2 важных фактора:

Пиковое обратное напряжение — PIV

Это максимальное напряжение, которое может выдержать диод. При этом он получает обратное смещение. Или когда диод выключен.

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

При входном напряжении переменного тока 220 В (среднеквадратичное значение) пиковое напряжение составляет 1,414 x В (среднеквадратичное значение) = 311 В (пик).

Мы должны выбрать диод со значением:

Piv = (311Vpkx2) + (311Vpkx0.5)
= 777,5Vpiv при получении форварда без повреждений. И что еще более важно, не забудьте добавить значение безопасности с 50%.

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

Насколько важен фильтр

Напряжение от выпрямителя постоянное. Но мы не можем его использовать. Нам нужно сгладить его фильтрующим конденсатором. Его необходимо использовать как для линейного, так и для импульсного источника 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 фильтра конденсатора как при зарядке, так и при разрядке. При подключении к нагрузке. Пульсации напряжения на конденсаторе называются пульсациями.

  • Высокая пульсация. Если высокий ток нагрузки
  • Напротив, низкая пульсация. Если это малый ток нагрузки.

И если мы посмотрим на блок-схему работы. В схеме фильтра на переменное напряжение 50-60Гц. Мы будем использовать конденсатор довольно большой.

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

Читать дальше: Как спроектировать нерегулируемый источник питания

Увеличение его значения (параллельно) сокращает время разряда между импульсами. В результате также уменьшаются значения пульсаций напряжения

Номинальное рабочее напряжение
Важно, нам необходимо использовать номинальное рабочее напряжение конденсатора, а 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, как показано на рисунке ниже.

RF Высокочастотные трансформаторы соединяют соединение между входом и выходом

 Это форма соединения трансформатора со входом и выходом. Используем Импульсный блок питания для коммутации на высоких частотах от 20КГц.

Обычно используемые трансформаторы на 50 Гц нельзя использовать на высоких частотах.

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

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

Который сердечник трансформатора действует как магнитное поле, индуцированное вторичной обмоткой в ​​виде трансформатора связи.

Что такое импульсный ВЧ-регулятор

Основой импульсного источника питания является ВЧ-регулятор. Также известен как импульсный регулятор.

Импульсный регулятор с широтно-импульсной модуляцией

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

Это базовая блок-схема импульсного стабилизатора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Он поддерживает уровень напряжения в замкнутом контуре.

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

Ширина импульсов, измененная с генератора, отправляется для управления транзистором, действующим как переключатель. В котором изменение ширины импульса вызывает соответствующее изменение среднего напряжения на выходе.

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

Для окончательного вывода напряжения постоянного тока. Вывод будет снова рандомизирован. И будет регулировать сигнал ошибки после. До получения постоянного напряжения по мере необходимости.

Это означает, что цепь 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? Наверное, пришло время применить его.

См. также: Цепь 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. ВЧ трансформатор не нужен.

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

Посмотрите в схеме гибридного импульсного регулятора, что вход схемы имеет характеристики, аналогичные характеристикам линейного источника питания. Но это повышает производительность.

Гибридный импульсный регулятор, 5 В, 500 мА

Посмотрите примеры фактического использования, гибридный импульсный регулятор, 5 В, 500 мА. В схеме используется LM341 фирмы NS. Как правило, это 3-контактный регулятор положительного напряжения.

Мне не нравится читать текст. Но мне нравится изучать его работу с помощью схем и блок-схем. Ты такой же, как я? Смотрим в цепи. Будем больше разбираться.

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

Выходное напряжение возвращается дросселем L1. Транзистор Q1 служит реальным переключающим устройством в схеме.

Проверьте эти связанные статьи. Также:

  • 12V 3A Схема регулятора коммутатора с использованием LM2576-12
  • Простой 12 В. схемы регулятора напряжения

Узнайте, как работает импульсный регулятор обратного хода

Если вам нужен импульсный стабилизатор, в котором используется несколько компонентов. А для вашей нагрузки требуется мощность менее 100 Вт.

Посмотрите на блок-схему ниже.

Это обратноходовая импульсная схема питания.

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

  • Уменьшение напряжения.
  • Разделите входную и выходную цепи.
  • Также ограничивайте линейный ток переменного тока.

В котором первичная и вторичная катушки намотаны в противоположных направлениях.

При наличии импульсного управляющего сигнала 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 протекание тока обратного хода на выход выпрямителя и выход фильтра. Мы можем контролировать ширину импульса через трансформатор. Для поддержания постоянного выходного напряжения.

Импульсный блок питания обратного хода имеет номинальную мощность 100 Вт. Из-за тока трансформатора. И ограничение на значение пикового тока переключения транзистора.

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

Схемы, подобранные вручную, которые вы можете прочитать:

  • Схема дешевого зарядного устройства на 6 В — использует принцип переключения обратного хода.
  • 3 схемы высоковольтных источников питания
  • Схема повышающего преобразователя 5 В в 12 В или выше с использованием транзистора . Это высокая мощность от 80 Вт до 200 Вт. Мы можем улучшить пульсацию, чтобы снизить. Потому что мы используем схему мостового выпрямителя. Который имеет пульсацию ниже, чем у однополупериодного выпрямителя импульсного регулятора обратного хода.

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

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

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

    Имеются небольшие отличия в цепи импульсного управления регулятора прямого переключения.

    На практике необходимо изменить длительность импульса выхода, чтобы он соответствовал разным размерам выхода. Для лучших результатов.

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

    • LM2575 Простой коммутатор 1A 1A Регулятор напряжения вниз
    • 12 В стабильный регулятор батареи. by LM2576

    Двухтактный импульсный блок питания

    Если вам нужна мощность более 200 Вт. Эта схема предназначена для обеспечения мощности до 600 Вт.

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

    Этот тип подключения цепи позволяет управлять большим током.

    Пульсации в двухтактной схеме переключения можно уменьшить по величине. Предоставляя схему для каждой широтно-импульсной модуляции, которая должна быть сбалансирована.

    Как правило, двухтактные схемы переключения имеют наименьшую пульсацию. По сравнению с другими схемами импульсного питания.

    И выпрямители, и схемы фильтрации импульсов с импульсной модуляцией одинаковы. С точки получить ошибку напряжения выхода той же точки.

    Заключение

    Недостатком импульсного источника питания является сигнал радиопомех. Которые он может распространять и мешать другим цепям. Если плохо экранировать.

    Значения регулирования и пульсации аналогичны линейным цепям.

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

    Также, вот пара связанных сообщений, которые вы должны прочитать:

    • Схема питания переключенного режима с использованием регулятора TL497
    • 5V Регулятор с использованием Transistor
    APICHTOM. люблю электронику. Я изучил их, создавая проекты «Электронные схемы» и «Простые», чтобы учить своих детей. Самое главное, я надеюсь, что наш опыт на этом сайте будет вам полезен.

    Спасибо за поддержку. 🙂

    Похожие посты

    ПОЛУЧИТЬ ОБНОВЛЕНИЕ ПО ЭЛЕКТРОННОЙ ПОЧТЕ

    Я всегда стараюсь, чтобы электроника Обучение было легким .

    Что такое блок питания и как он работает?


    Быстрый переход:

    1. Что такое блок питания?
    2. Что делает блок питания?
    3. Как работает блок питания?
    4. Части источника питания и их функции
    5. Как блок питания преобразует переменный ток в постоянный?
    6. Что такое конденсаторный фильтр?
    7. Как работает регулируемый источник питания?
    8. Как работает линейный регулируемый источник питания?
    9. Что такое регулируемый импульсный источник питания?
    10. Для чего нужен блок питания?
    11. Кому нужны блоки питания?

    Источники питания появляются повсюду, и знание того, как они работают, поможет вам выбрать наилучшие варианты для ваших приложений. Нужен ли вам источник питания высокого напряжения на борту корабля или нужно подключить ноутбук для зарядки, вам нужен блок питания. Поскольку не все модели одинаковы, вам необходимо знать, что делает блок питания переменного/постоянного тока уникальным, как выбрать лучшие блоки питания для ваших электрических устройств и многое другое. Если у вас когда-либо возникали вопросы о том, как работает источник питания, его определение или назначение, найдите ответы на свои вопросы здесь.

    Что такое блок питания?

    Не путайте блок питания с источником питания. Источником является источник поступающего электричества. В большинстве случаев источником электроэнергии является розетка, аккумулятор или генератор. Блок питания работает, чтобы преобразовать мощность от источника в правильный формат и напряжение. Поскольку существует множество вариантов, конкретная функция источника питания зависит от того, нужно ли ему регулировать энергию или преобразовывать энергию. Чтобы понять источник питания и то, как он работает, вы должны знать его части и их вклад в работу устройства, что обсуждается ниже.

    Обзор продуктов с блоками питания

    Что делает блок питания?

    Блоки питания имеют основные функции, присущие всем моделям, а дополнительные операции добавляются в зависимости от типа устройства. Источникам питания может потребоваться повышать или понижать напряжение, преобразовывать мощность в постоянный ток или регулировать мощность для более плавного выходного напряжения. Эти функции помогут вам выбрать, какой источник питания вам нужен для ваших электрических нужд. Приобретение устройства со слишком большим количеством функций может стоить вам больше денег, чем вам нужно потратить, но если вы не получите нужные вам функции, вы можете повредить устройства, которые вам нужны для питания.

    Блоки питания Изменение напряжения

    Изменение напряжения является основным назначением блоков питания. Источник питания имеет стабильную мощность, независимо от типа устройства, которое должно его использовать. Для предотвращения перегрузки источники питания понижают или, наоборот, повышают напряжение в соответствии с требованиями устройства.

    Слишком большая мощность, выходящая из источника питания, может серьезно повредить устройство, но если источник питания не обеспечивает достаточное напряжение, устройство не будет работать должным образом. Изменение энергии является основной задачей источников питания, и основная часть их конструкции состоит из трансформатора, используемого для повышения или понижения напряжения по мере необходимости.

    Преобразование энергии в источниках питания

    Преобразование энергии изменяет поступающее электричество в формат, который может использовать электрическое устройство. Существует два типа источников питания: DC-DC и AC-DC. Источники питания постоянного тока позволяют подключать электрические устройства к автомобильным розеткам или аналогичным источникам, которые обеспечивают постоянный ток или питание постоянного тока. Однако эти блоки питания не являются наиболее часто используемыми.

    Обзор источников питания постоянного тока

    Несмотря на то, что существуют источники питания постоянного тока, наиболее распространенным типом является тип переменного тока. Электрические розетки подают переменный ток или мощность переменного тока. Большинству электрических устройств для работы требуется постоянный ток. Блок питания преобразует мощность переменного тока в постоянный. Во время этого преобразования выходной сигнал может колебаться, что иногда требует регулирования. Однако для общего использования вам могут не понадобиться регулируемые блоки питания.

    Блоки питания регулируют мощность

    Для большинства электронных устройств требуется регулируемая мощность. Когда источник питания меняет напряжение и тип мощности, результатом не всегда является стабильный выходной сигнал. Хотя он не включается и не выключается полностью, колебания выходного напряжения все же происходят без регулирования. Нерегулируемый источник питания может обеспечить большую мощность, чем ожидалось. Такой импульс, подаваемый на хрупкую электронику, такую ​​как компьютеры и телевизоры, может привести к серьезному повреждению деталей или даже к необратимому повреждению, которое может привести к повреждению, не поддающемуся ремонту.

    Добавленная функция регулирования мощности увеличивает стоимость устройства, но позволяет сэкономить на покупке новой электроники взамен испорченной нерегулируемым напряжением. Чтобы сэкономить деньги при питании устройств с нагрузками, близкими к выходной мощности источника питания, используйте нерегулируемые источники питания. А электронике нужна регулируемая мощность. Не совершайте ошибку, выбрав не тот источник питания.

    Как работает блок питания?

    Базовые блоки питания изменяют напряжение и преобразуют их в питание постоянного тока. Эти стандартные операции посылают нестабилизированное напряжение из блока питания, но если вам нужна регулируемая мощность, в устройствах есть дополнительная ступень регулирования напряжения для сглаживания волн. Чтобы узнать больше о том, как работает блок питания, читайте дальше, чтобы узнать об отдельных частях и их функциях, которые прояснят ваше представление о работе устройства в целом.

    Части блоков питания и их функции

    Базовые блоки питания состоят из нескольких частей. Эти компоненты помогают устройству повышать или понижать напряжение, преобразовывать мощность и уменьшать пульсации напряжения, которые являются остаточными колебаниями напряжения и приводят к потере мощности и перегреву.

    • Трансформатор:  Трансформатор изменяет входящее напряжение на необходимый уровень исходящего напряжения. Эти устройства могут повышать или понижать напряжение. Как правило, требуемое постоянное напряжение намного меньше, чем входящее переменное напряжение от основного источника питания.
    • Выпрямитель:  Для преобразования поступающей мощности из переменного тока в постоянный в источнике питания используется выпрямитель, который может быть однополупериодным, двухполупериодным или мостовым.
    • Фильтр:  Когда питание переменного тока меняется на постоянное, в нем все еще есть отчетливые волны, которые необходимо сгладить. Фильтр не сглаживает волны полностью, но значительно уменьшает их. Выход этой части — нерегулируемая мощность.
    • Регулятор:  Регулятор напряжения уменьшает пульсации напряжения, оставленные фильтром, избавляя от скачков или падений напряжения, которые могут повредить устройства, подключенные к источнику питания.

    Компоненты источника питания необходимы для конкретной функции блока питания. В результате не все блоки питания будут состоять из одних и тех же частей.

    Трансформаторы питания

    Трансформатор питания повышает или понижает напряжение по мере необходимости. Большинству устройств требуется пониженное напряжение от стандартных розеток переменного тока, которые выдают от 100 до 240 вольт, до гораздо меньшей величины. Однако некоторые трансформаторы повышают напряжение и изолируют входящие и исходящие цепи.

    Входящая мощность поступает в трансформатор через первичную обмотку. Исходящее электричество соединяется со вторичной обмоткой. Эти две обмотки не имеют физической связи между собой. Такая изоляция обмоток обеспечивает безопасность трансформатора. Закон Фарадея позволяет индуцировать электромагнитную энергию во вторичной обмотке из первичной обмотки без необходимости контакта между этими частями.

    После завершения повышения или понижения напряжения трансформатор направляет выходную мощность на выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный.


    Как блок питания преобразует переменный ток в постоянный?

    Частью работы источника питания переменного тока в постоянный является выпрямитель в блоке, который изменяет тип тока. Создатели блоков питания выбирают один из трех типов выпрямителей на кремниевых диодах для преобразования мощности переменного тока в постоянный. Каждая модель имеет свою работу и преимущества.

    • Половина волны: В самом дешевом выпрямителе используется один кремниевый диод, но он преобразует только половину волны переменного тока. Это полуволновое преобразование приводит к большей пульсации, которую сложнее устранить с помощью регулятора. Кроме того, однополупериодные выпрямители работают не так эффективно, как другие модели, и работают только для питания маловажных устройств.
    • Полнополупериодный: Для двухполупериодного выпрямителя требуется центральное отвод во вторичной обмотке. Поскольку для этих выпрямителей требуется специальный трансформатор, они обычно появляются в более дорогих, хотя и более эффективных источниках питания. Эти модели также производят меньшую пульсацию после преобразования в мощность постоянного тока, которую регулятору легче устранить.
    • Мост: Самый эффективный выпрямитель сочетает в себе лучшее из двухполупериодного и двухполупериодного типов. В мостовой модели используются четыре диода для преобразования полной волны переменного тока без необходимости в специальном трансформаторе с отводом от средней точки.
    Обзор блоков питания переменного и постоянного тока

    Что такое конденсаторный фильтр?

    После преобразования большая часть мощности постоянного тока все еще будет иметь выходную пульсацию. Конденсатор напрямую отфильтровывает самые сильные пульсации, когда электричество покидает выпрямитель.

    Конденсаторы удерживают электроны до тех пор, пока они не понадобятся. Когда ток проходит через конденсатор, он движется волнами. Пики уже содержат достаточно электронов, но впадины представляют меньшее количество электричества, соответствующее более низким уровням электронов. Когда волны тока падают, потребность в дополнительных электронах возрастает. Конденсатор подает электроны в ток, делая волны более плавными. Более плавные волны обеспечивают более равномерное электричество без приливов и скачков.

    Хотя конденсаторы не обеспечивают абсолютно ровное питание, они уменьшают высокие и низкие частоты, которые выходят из выпрямителя. Если вам нужен постоянный поток электроэнергии, у вас должен быть регулируемый источник питания. Эти устройства заполняют оставшиеся впадины, оставшиеся после выхода тока из конденсатора. Источники питания, которые подключаются к электронике, требуют регуляторов для защиты чувствительных схем таких устройств.

    Как работает регулируемый источник питания?

    После выхода тока из фильтра задача блока питания заканчивается в нерегулируемой модели. В то время как нерегулируемых источников питания достаточно для общего использования, когда вам нужно полностью стабильное электричество, которое не меняется при изменении нагрузки, вам нужна регулируемая мощность. Регулируемые источники питания бывают двух видов в зависимости от того, как они регулируют энергию — линейные и импульсные.

    Как работает линейный регулируемый источник питания?

    Линейный источник питания имеет простой и понятный метод работы для преобразования электроэнергии и почти полного устранения пульсаций напряжения. Конструкция начинается с трансформатора для снижения напряжения. Затем устройство преобразует переменный ток в постоянный. Затем питание постоянного тока проходит через регулятор, который очищает его, уменьшая пульсации напряжения.

    Этот регулируемый блок питания весит больше из-за большого трансформатора, который должен понижать мощность. К счастью, линейные блоки питания работают с низким уровнем шума, что делает их лучшим выбором, когда вам нужно маломощное и чистое, стабильное питание. Медицинские учреждения, лаборатории и средства связи получают наибольшую выгоду от этого типа регулируемого источника питания.

    Что такое регулируемый импульсный источник питания?

    Импульсные источники питания более эффективны, имеют большую мощность и меньше по размеру, чем их линейные аналоги. Однако эти модели создают шум во время использования, особенно при переключении питания. В отличие от линейных источников питания, которые лучше всего подходят для конкретных приложений, импульсные источники питания более универсальны. Причина гибкости этих устройств заключается в использовании ими широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

    Использование ШИМ делает импульсные источники питания намного более эффективными, чем линейные источники питания, и позволяет быстро переключаться на различные источники электроэнергии. Выбирайте импульсные стабилизирующие источники питания, если вам требуется более высокая выходная мощность и большая эффективность при меньших размерах, чем вы можете получить от линейного стабилизированного источника питания.

    Какая польза от источника питания?

    При использовании в персональных компьютерах блоки питания чаще всего выходят из строя из-за частых колебаний температуры и интенсивного использования. Конечно, электроника, такая как компьютеры и телевизоры, требует источников питания и требует замены этих частей чаще, чем другие компоненты. Однако это не единственное применение источников питания.

    Блоки питания не только обеспечивают электроэнергией электронику. Эти устройства могут быть внутренними или внешними и обеспечивать энергией приборы, освещение и многое другое. Если у вас есть часть, которая требует электричества, вероятно, у вас есть источник питания или он подключен к этому устройству.

    Кому нужны блоки питания?

    Любой, кто пользуется электричеством, нуждается в источниках питания. Типы источников питания будут зависеть от того, нужны ли вам преобразователи переменного тока в постоянный или постоянный ток, а также от того, требуется ли вам регулируемая или нерегулируемая мощность. Высокое или низкое напряжение — это еще один выбор, который вам нужно будет сделать. Если вам нужны атмосферостойкие или ударопрочные блоки питания, вам также необходимо добавить их в список требований.

    Узнайте о наших источниках питания военного класса

    Источники питания ежедневно используются в нескольких отраслях промышленности. Здесь перечислены лишь некоторые отрасли, в которых можно использовать разнообразные блоки питания военного класса, которые предлагает ACT.

    • Военные:   Военным часто требуются прочные блоки питания, способные выдерживать любые условия окружающей среды.
    • Корабли и лодки (подводные лодки):   Судовые источники питания предъявляют особые требования к надлежащей работе с электричеством без традиционной основной розетки, питаемой от линий электропередач.
    • Аэрокосмическая промышленность:   Для питания инструментов, используемых в аэрокосмической области, часто требуются устройства, которые могут работать с электричеством в удаленных местах.
    • Средства связи:   К тихим и адекватным источникам питания, обеспечивающим стабильное питание компьютеров и других устройств связи, предъявляются строгие требования в отношении их характеристик и использования.
    • Многие другие:   Если вы не видите свою отрасль в списке, не беспокойтесь. Скорее всего, вам по-прежнему нужны блоки питания, и мы можем помочь вам в этом.

    Вопрос не в том, нужен ли вам блок питания, а в том, какой тип требуется в вашей ситуации. Вот где мы в ACT можем вам помочь.

    Найдите подходящие блоки питания

    Свяжитесь с Advanced Conversion Technology

    Если вам нужны преобразователи AC-DC или DC-DC для высокого или низкого напряжения, вы можете найти нужные вам блоки питания в ACT. Поскольку мы обслуживаем широкий спектр приложений, предъявляющих бесчисленные требования к источникам питания, у нас, вероятно, есть подходящие продукты для вашего использования. Однако некоторые из тех, с кем мы работаем, не могут найти то, что им нужно, в наших списках. К счастью, у нас есть ресурсы для создания пользовательских блоков питания, адаптированных к их потребностям. Если вам нужно индивидуальное решение, свяжитесь с нами через нашу форму или отправьте запрос на продукт. Мы готовы помочь вам с любыми потребностями в электроэнергии, от простых до сложных.

    Как работает блок питания – ООО «Китроник»

    Внешние источники питания, используемые с электронными продуктами

    Выпрямители батарей

    Выпрямитель батарей или регулируемый источник питания — это устройство, которое можно использовать вместо батарей. Он берет питание переменного тока от сети 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 источника питания. Регулируемые блоки питания обычно продаются с рядом адаптеров, позволяющих подключать их к большинству электронного оборудования (при условии, что они имеют разъем питания).

    Внешние источники питания

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

    Маркировка

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

    Как работают блоки питания

    Блок питания используется для снижения сетевого напряжения с 240 вольт переменного тока до чего-то более пригодного, скажем, 12 вольт постоянного тока. Существует 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 соотношение того, насколько уменьшается напряжение, в этом случае соотношение 20: 1 уменьшает входное напряжение 240 вольт переменного тока. до 12 вольт переменного тока на вторичных обмотках. Импульсный источник питания работает, очень быстро включая и выключая сетевое электричество, чтобы снизить напряжение. 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 этот метод, громоздкий трансформатор, присутствующий в линейном источнике питания, можно заменить 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, которое изолирует выход от сетевого электричества (из соображений безопасности). Затем обратная связь на выходе используется для управления соотношением пространства меток при переключении, чтобы выход оставался на требуемом напряжении. Трансформатор, используемый в импульсном источнике питания, намного меньше и дешевле, чем тип, используемый в линейном источнике питания, но он должен 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. В линейном трансформаторе питания обычно используется стальной сердечник. Поскольку вихревые токи могут возникать в сплошном стальном сердечнике и снижать эффективность, сердечник сделан из изолированных стальных пластин, уложенных друг на друга, с обмотками, намотанными вокруг них.

    Линейный и режим переключения

    Поскольку в импульсном источнике питания не требуется большой трансформатор, он меньше, легче и дешевле. Импульсный источник питания более эффективен, чем линейный, поэтому выделяет меньше тепла. Импульсные источники питания могут быть рассчитаны на различные входные напряжения (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 импульсного источника питания создает электрические помехи или скачки напряжения в источнике питания каждый раз, когда он переключается. Если требуется чистое питание, оно должно быть линейным.

    Ферритовые тороидальные сердечники (в форме пончика) намного лучше работают с более высокими частотами и используются в импульсных источниках питания.

    Регулируемые источники питания

    На блок-схеме импульсного источника питания последним этапом было сглаживание импульсов путем добавления большого конденсатора. В зависимости от того, насколько точным должно быть питание, это решение может быть адекватным. В этом дизайне выход будет иметь некоторую пульсацию; оно будет отличаться от требуемого напряжения на небольшую величину, может быть, на несколько процентов. В регулируемом источнике питания используется ИС, где ИС отслеживает выходное напряжение относительно опорного напряжения и соответствующим образом регулирует выходное напряжение. Регуляторы имеют гораздо меньшую пульсацию и часто включают защиту от перегрузки по току и перегреву, благодаря чему они автоматически отключаются, что делает их и остальную часть источника питания неразрушимыми. Деталь, показанная справа, представляет собой 7805, обычный стабилизатор на 5 вольт.

    Типы корпусов

    Наиболее распространенным типом корпуса является пластиковый корпус. Это связано с тем, что его можно легко изготовить с использованием процесса литья под давлением, а такие элементы, как монтажные отверстия или зажимы для печатных плат, 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 можно 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.

    Дополнительное обучение Kitronik

    Что такое интегральная схема?

    Что такое интегральная схема? Кто изобрел интегральную схему? Каковы некоторые примеры интегральных схем? Как они сделаны?

    Метки: Электронные принципы, Использование инструментов и оборудования

    Разница между линейными и импульсными источниками питания | tech

    Как линейные, так и импульсные источники питания обеспечивают стабильный постоянный ток (также сокращенно «постоянный ток» или «DC»).
    DC используется в цепях большинства электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры, кондиционеры и заводские роботы. Поскольку для каждого типа устройства и внутренней схемы такого электронного оборудования требуются разные напряжения, необходим источник постоянного тока, подходящий для каждого напряжения.
    Первым был изобретен линейный источник питания. Линейные источники питания также известны как последовательные источники питания. В линейном источнике питания трансформатор, состоящий из железного сердечника и катушки, используется для уменьшения напряжения до входящего переменного тока (AC). Затем напряжение выпрямляется диодом в цепи выпрямителя и сглаживается конденсатором в цепи сглаживания для обеспечения стабильного напряжения.
    Выходное напряжение схемы выпрямителя представляет собой серию положительных пиков синусоиды, что не является подходящим стабильным током. Поэтому напряжение выравнивается с помощью сглаживающей цепи, состоящей из конденсатора, и стабилизирующей цепи (схемы управления). Существует два типа цепей управления: шунты и последовательные цепи. Оба метода контролируют и контролируют выходное напряжение постоянного тока, чтобы поддерживать постоянное значение. Разница между входным и выходным напряжениями приводит к выделению тепла; поэтому требуется большой радиатор.
    Для линейного источника питания требуется специальный трансформатор переменного тока в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и мощности. Таким образом, каждое устройство имело фиксированную мощность и требовало источника питания с отдельным трансформатором для каждого приложения.

    Импульсные источники питания, напротив, перед регулированием напряжения имеют функцию выпрямления и сглаживания. Прерыватель используется для преобразования поступающего напряжения в последовательность высокочастотных импульсов. При включении и выключении выключателя с высокой скоростью выпрямленный ток трактуется как псевдопеременный ток (AC) с пульсирующей волной, а напряжение регулируется с помощью высокочастотного трансформатора.

    Типичная разница между линейным блоком питания и импульсным блоком питания заключается в уровне шума и размере блока питания. Как упоминалось выше, импульсный источник питания многократно включает и выключает переключатель с высокой скоростью. Это вызывает шум из-за переключения. Линейные источники питания производят меньше шума, чем импульсные источники питания.
    Как упоминалось выше, импульсный блок питания многократно включает и выключает коммутатор с высокой скоростью. Это вызывает шум из-за переключения. Что касается шума, линейные блоки питания производят меньше шума, чем импульсные блоки питания.
    Если сравнить линейный источник питания и импульсный источник питания с одинаковым выходным сигналом, шум линейного источника питания (R4G18-2) составляет 0,5 мВ (среднеквадратичное значение) и 1 мА (среднеквадратичное значение), как указано в технических характеристиках. Однако импульсный источник питания (R4K18-2) составляет около 5 мВ (среднеквадратичное значение) и 5 ​​мА (среднеквадратичное значение).
    Другими словами, шум напряжения импульсного источника питания в десять раз больше, а шум тока в пять раз больше, чем у линейного источника питания.
    Следующим шагом было определение размера блока питания. Линейный источник питания был небольшим; однако импульсный источник питания был меньше. Это связано с размером трансформатора. Если напряжение изменяется на ту же величину, трансформатор будет меньше на более высоких частотах.
    В линейном источнике питания входная частота от розетки или другого источника подается непосредственно на трансформатор, тогда как в импульсном источнике питания ток после выпрямления направляется на трансформатор в виде высокочастотного импульса. Поэтому трансформатор маленький.
    Например, блок питания с выходным напряжением постоянного тока 18 В, линейный блок питания (R4G18-2) имеет размеры 124 × 84 × 325 мм (В × Ш × Г) и весит примерно 3 кг. Для сравнения, импульсный блок питания (R4K18-2) имеет размеры 124 × 35 × 128 мм (В × Ш × Г) и весит примерно 500 г.
    Они оба одинаковой высоты, но линейный блок питания в 2,4 раза шире, в 2,5 раза глубже и весит в шесть раз больше, чем импульсный блок питания. Это связано с тем, что в трансформаторах используется железный сердечник, а размер трансформатора влияет на его вес.
    Импульсные источники питания стали широко использоваться примерно в 1990 году, намного позже линейных источников питания. Старые адаптеры переменного тока очень большие и тяжелые, потому что в них используются линейные источники питания.
    В последние годы источники питания на основе нитрида галлия (GaN) с низкими потерями энергии стали коммерчески доступными. 9Источники питания 0085 GaN представляют собой полупроводники из нитрида галлия, которые аналогичны обычным полупроводникам на основе кремния. Транзисторы, использующие GaN, имеют меньшие потери мощности, чем обычные транзисторы.
    Развитие этих новых технологий привело к созданию более компактных и мощных импульсных источников питания.

    Существуют и другие различия между линейными и импульсными источниками питания, помимо шума и амплитуды, которые объясняются ниже.

    Импульсные источники питания имеют меньшие потери при преобразовании энергии.

    НАСА первоначально разработало импульсные источники питания для космических приложений. Поэтому они были разработаны для обеспечения высокой энергоэффективности. Импульсные источники питания более эффективны, поскольку линейные источники питания теряют больше энергии в виде тепла.

    Линейный источник питания быстрее реагирует на колебания нагрузки

    Выход импульсного источника питания управлялся схемой управления. Напротив, линейные источники питания управляются реакцией схемы регулятора. Поэтому линейный источник питания быстрее реагирует на колебания нагрузки.

    Если выходная мощность мала, линейный блок питания может быть изготовлен с меньшими затратами, а если она велика, импульсный источник питания становится менее дорогим вариантом.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.