Переключатель обмоток трансформатора лабораторного бп. Переключение обмоток трансформатора в лабораторном блоке питания: особенности, схемы, реализация

Как реализовать переключение обмоток трансформатора в лабораторном блоке питания. Какие схемы можно использовать. Какие ошибки часто допускают при разработке. На что обратить внимание при реализации.

Зачем нужно переключение обмоток трансформатора в лабораторном блоке питания

Переключение обмоток трансформатора в лабораторном блоке питания позволяет оптимизировать его работу и повысить эффективность. Основные причины использования такого решения:

• Снижение рассеиваемой мощности на регулирующем транзисторе при низких выходных напряжениях
• Расширение диапазона выходных напряжений
• Улучшение стабилизации напряжения
• Повышение КПД блока питания

Например, при выходном напряжении 5В использование обмотки на 27В приведет к большим потерям на регулирующем элементе. Переключение на обмотку 13В позволит снизить эти потери примерно в 2 раза.

Основные схемы переключения обмоток трансформатора

Для реализации переключения обмоток трансформатора в лабораторных блоках питания чаще всего используются следующие схемы:

1. На основе реле
2. Симисторные переключатели
3. Транзисторные схемы
4. С использованием компараторов

Каждый вариант имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим их подробнее.

Схема на реле — простое и надежное решение

Схема на основе реле является самым простым и надежным вариантом переключения обмоток трансформатора. Ее основные преимущества:

• Простота реализации
• Высокая надежность
• Отсутствие искажений сигнала
• Возможность коммутации больших токов

Основной недостаток — необходимость управляющего напряжения для реле, обычно 12В или 24В. Типовая схема включения реле для переключения обмоток:

Здесь реле К1 переключает обмотки трансформатора. Диод VD1 защищает транзистор от выбросов напряжения при отключении реле.

Симисторные переключатели — бесконтактное решение

Симисторные переключатели позволяют реализовать бесконтактное переключение обмоток. Их преимущества:

• Отсутствие механических контактов
• Высокое быстродействие
• Отсутствие искрения при коммутации
• Возможность коммутации больших токов

Однако симисторные схемы имеют ряд недостатков:

• Сложность реализации
• Высокая стоимость компонентов
• Необходимость снабберных цепей
• Внесение искажений в сигнал

Типовая схема симисторного переключателя обмоток:

Здесь симисторы VS1 и VS2 поочередно подключают обмотки трансформатора. Управление осуществляется через оптроны U1 и U2.

Транзисторные схемы переключения обмоток

Транзисторные схемы позволяют реализовать переключение обмоток с минимальными искажениями сигнала. Их преимущества:

• Высокое быстродействие
• Минимальные искажения сигнала
• Возможность управления низковольтной логикой

Недостатки транзисторных схем:

• Сложность реализации
• Ограничения по коммутируемым токам
• Необходимость согласования уровней

Пример транзисторной схемы переключения обмоток:

В этой схеме транзисторы VT1 и VT2 поочередно подключают обмотки трансформатора. Управление осуществляется через транзисторы VT3 и VT4.

Схемы на компараторах — гибкое решение

Схемы на основе компараторов позволяют реализовать гибкую логику переключения обмоток. Их преимущества:

• Возможность задания порогов переключения
• Высокая точность срабатывания
• Простота реализации гистерезиса

Недостатки схем на компараторах:

• Необходимость источника опорного напряжения
• Чувствительность к помехам

Типовая схема на компараторе для переключения обмоток:

Здесь компаратор DA1 сравнивает выходное напряжение с опорным и управляет ключом на транзисторе VT1. Резистор R3 обеспечивает гистерезис.

Типичные ошибки при разработке схем переключения обмоток

При разработке схем переключения обмоток трансформатора часто допускают следующие ошибки:

1. Неправильный выбор порогов переключения
2. Отсутствие гистерезиса, приводящее к «дребезгу» переключения
3. Недостаточная мощность управляющих элементов
4. Отсутствие защиты от перенапряжений
5. Неправильная последовательность переключения

Рассмотрим подробнее, как избежать этих ошибок.

Выбор оптимальных порогов переключения обмоток

Правильный выбор порогов переключения обмоток критически важен для эффективной работы блока питания. Основные рекомендации:

• Нижний порог должен быть не менее 20-30% от напряжения верхней обмотки
• Верхний порог не должен превышать 80-90% от напряжения верхней обмотки
• Разница между порогами должна быть не менее 10-15% для обеспечения гистерезиса

Например, для обмоток 13В и 27В оптимальные пороги переключения:

• Переключение с 13В на 27В: 10-11В
• Переключение с 27В на 13В: 9-10В

Это обеспечит плавное переключение без «дребезга» и оптимальную эффективность во всем диапазоне выходных напряжений.

Реализация гистерезиса в схемах переключения

Гистерезис необходим для предотвращения «дребезга» при переключении обмоток. Его можно реализовать несколькими способами:

1. С помощью положительной обратной связи в схеме на компараторе
2. Программно в микроконтроллерной схеме
3. С использованием таймера для задержки обратного переключения

Пример реализации гистерезиса в схеме на компараторе:

Здесь резистор R3 обеспечивает положительную обратную связь, создавая гистерезис. Величину гистерезиса можно рассчитать по формуле:

H = (R1 / (R1 + R2)) * Vcc * (R3 / (R3 + R1))

где H — величина гистерезиса, R1, R2, R3 — сопротивления резисторов, Vcc — напряжение питания.

Обеспечение безопасного переключения обмоток

Для обеспечения безопасного переключения обмоток трансформатора необходимо соблюдать следующие правила:

• Использовать элементы с запасом по току и напряжению
• Применять снабберные цепи для защиты от выбросов напряжения
• Обеспечивать задержку между отключением одной обмотки и подключением другой
• Использовать оптронную развязку в цепях управления

Пример схемы защиты от выбросов напряжения:

Здесь RC-цепочка R1C1 и варистор RV1 защищают ключевой элемент от выбросов напряжения при коммутации индуктивной нагрузки.

Заключение

Переключение обмоток трансформатора позволяет значительно повысить эффективность лабораторного блока питания. При правильной реализации можно добиться следующих преимуществ:

• Снижение тепловыделения на 30-50%
• Увеличение КПД на 10-15%
• Расширение диапазона выходных напряжений
• Улучшение стабилизации напряжения

Однако при разработке схемы переключения необходимо учитывать множество нюансов и соблюдать правила безопасного переключения. Только в этом случае можно получить надежное и эффективное решение.

Плата лабораторного блока питания, моя конструкция и дополнения. Мультиобзор.

Данный текст написан не столько ради обзора самой платы блока питания, в этом преуспел, уважаемый Kirich и другие авторы, а скорее ради описания получившейся у меня конструкции в целом, с необходимыми, на мой взгляд, этому блоку питания дополнениями в виде термоконтроллера вентилятора, индикатора напряжения и тока, автоматического переключателя обмоток трансформатора, электронного отключения нагрузки, ну и собственно силового трансформатора и корпуса. Часть устройств куплена на AliExpress, а другая часть собрана с нуля. Для первых будут ссылки, а для последних схемы…

Итак, используемые компоненты:
— Готовый тороидальный трансформатор 150Вт, имеющий 2 обмотки по 12 вольт, купленный в чип и дип. Такой трансформатор был выбран с расчетом возможности переключения обмоток, разделив диапазон выходных напряжений на 2 поддиапазона — 0-11в и все, что выше (используя или одну 12 вольтовую обмотку или 2 последовательно соединенные такие же обмотки, в сумме дающие ~24В). Поверх двух заводских вторичных обмоток еще были намотаны 2 дополнительные. Первая — маломощная на 13В для питания дополнительных устройств и вентилятора охлаждения. Вторая обмотка более мощная, на 7В., намотанная проводом 1,5мм (можно было использовать тоньше, но такой был у меня в наличии), для питания отдельного 5-вольтового USB выхода, подключенного к линейному стабилизатору 7805;

— Плата-конструктор лабораторного источника питания с AliExpress. Набор реально стал стоить копейки — чуть больше 5$. Долетел до Минска за 29 дней, трек отслеживался. Собранная мной плата на фото выше. Заменил лишь комплектный кондер на 10 000мкф и диоды выпрямителя, диодами Шоттки SR560 на ток 5A. Менять операционные усилители, пока не стал…;

— Готовая плата контроллера вентилятора с индикатором температуры и выносным термодатчиком также с AliExpress.
Термоконтроллер, стоимостью 1,65$, доехал до Минска за 22дня, трек отлеживался. Отличное устройство, надо отметить. Может работать в одном из двух режимов — на охлаждение или на нагрев. Т.е., в зависимости от выбранного режима, термоконтроллер управляет или нагревателем (включает, если температура опускается ниже заданной), или вентилятором (включает, если температура превышает заданную). Для отключения вентилятора или нагревателя задается значение гистеризиса. Управляется контроллер при помощи 3х кнопок, значения выводятся на 3х-символьный индикатор. На странице продавца имеется подробная инструкция

Инструкция

;

— Готовый индикатор напряжения и тока с AliExpress. Цена 3,94$. Ехал заказ 5 недель, трек не отслеживался. Надо отметить, что индикатор оказался вполне годным, позже протестируем;

— Самодельный блок переключения обмоток трансформатора (схема найдена на просторах инета). Это, пожалуй, самое важное дополнение для линейного регулируемого блока питания. Дело в том, что КПД таких источников — весьма не высокий, особенно при низких выходных напряжениях. Так, например, при выходном напряжении 5В и токе, скажем, в 3А, на выходном транзисторе должно рассеяться около 75Вт. И в этом режиме, при питании БП от 24 вольт переменного тока (2 обмотки по 12 вольт), вентилятор охлаждения, управляемый термоконтроллером, почти никогда не выключается. А при входном напряжении в ~12В, наоборот, включается очень редко и на короткое время. Таким образом, данное дополнение, позволяет значительно улучшить режимы работы блока питания, особенно, если учесть, что я, в основном использую напряжения до 12В. Единственное, что выбранное мной решение не самое лучшее, потому, что, при уменьшении напряжения, в момент переключения обмоток с двух на одну (с 24в на 12в), возникает короткий провал в выходном напряжении. Симисторная же схема лишена такого недостатка. А для себя я решил, что мне этот нюанс не принципиален.

Собрано устройство на макетной плате, тут же размещен выпрямитель и стабилизатор напряжения на 12В, от которого питаются реле, термоконтроллер и вентилятор. Для этого стабилизатора на трансформаторе была намотана дополнительная маломощная обмотка;

— А это полностью самодельный блок электронного подключения нагрузки, о нем по подробнее:
Итак, небольшое ТЗ.

— После включения блока питания нагрузка должна быть отключена в независимости от последнего состояния.
— О выключенной нагрузке должен сообщать мигающий красный светодиод.
— О включенной нагрузке должен сообщать постоянно горящий зеленый светодиод.
— Подключение нагрузки происходит при помощи реле.
— Аппаратное подавление дребезга контактов.

Схема исправлена, спасибо пользователям IIIap, varicap и alexky, ее заметившим (неправильная полярность защитного диода). Схема построена на дешевом микроконтроллере Atmel ATtiny2313 и триггере Шмитта 74HC14.
Запитана схема от 12 вольт, необходимых для работы реле. Для питания микросхем использован линейный преобразователь 7805.

После включения мигает красный светодиод VD2. Триггер шмитта 74HC11 позволяет окончательно и бесповоротно избавиться от дребезга контактов. При нажатии кнопки, светодиод VD2 гаснет, а VD1 (зеленый) загорается, одновременно с ним открывается транзистор VT1 и включается реле K1. При следующем нажатии нагрузка и зеленый светодиод VD1 отключаются, красный светодиод VD2 начинает мигать. Диод VD1 защищает транзистор от всплесков напряжения на катушке реле. Собрана схема на макетной плате. Если не ставить на входе триггер Шмитта (и бороться с дребезгом программными средствами), то необходим подтягивающий резистор 10К на 7 выводе микроконтроллера. В планах добавить еще один канал управления на вход микроконтроллера int0. Управляться будет USB выход.

Управляющая программа написана в среде Bascom.

В основном цикле мигает красный светодиод, при условии, что на выходе PB2 низкий уровень, т.е. нагрузка отключена, а зеленый светодиод не горит. По прерыванию Int1 вызывается подпрограмма Swbutton. Оператор Toggle переключает состояния выхода PB2 (если был 1 то станет 0 и наоборот). После переключения выхода программа возвращается в основной цикл, до следующего прерывания;

Под спойлером исходник

$regfile = «attiny2313. dat»
$crystal = 4000000

Config Portb.1 = Output
Config Portb.2 = Output
Config Pind.3 = INPUT
Config Int1 = Falling

Dim Wtime As Byte

On Int1 Swbutton

Cls

Wtime = 255

Enable Interrupts
Enable Int1

Do
if pinb.2 = 0 Then
Set Portb.1
Waitms Wtime
Reset Portb.1
Waitms Wtime
Else
‘Pinb.4 = 0
End If
Loop
End

Swbutton:
Toggle Portb.2

Return

End

— Реле.Слева реле в синем корпусе, используется для включения/отключения нагрузки, а реле в прозрачном корпусе, первой группой контактов переключает обмотки трансформатора, а вторая группа включает светодиод индицирующий подключение второй обмотки;

— И наконец, готовый корпус от старого ленточного стримера. DDS картриджи на 2Gb уже очень давно не актуальны, поэтому девайс был бесжалостно разобран на запчасти. А корпус с родным вентилятором прекрасно подошёл для моего блока питания;

Вот такая передняя панель. Временная, т.к. буду переделывать и компоновку и материал вставки менять надо (был белый вспененный пластик — смотрится коряво, а будет заглушка от компьютерного корпуса, которая попадает в цвет всего устройства). Но это чуть позже, когда дойдут из китая многооборотные резисторы. Так же добавится USB разъем. Красный регулятор — напряжение, синий — ток (цвета ручек выбраны в соответствии с цветами свечения сегментов индикатора). Прямоугольный зеленый светодиод под индикатором начинает светиться при подключении второй обмотки трансформатора. Над синим регулятором светодиод индикации стабилизации по току (красного цвета). Ну и в районе выходных клемм красная кнопка подключения нагрузки и двухцветный светодиод (красно-зеленый). Все выполнено на разъемах — лицевая панель полностью съемная. Выход блока питания к лицевой панели подключается, посредством разъёма типа Deans, который используется для аккумуляторов дистанционно управляемых моделей;

Все компоненты соединены между собой в соответствии со следующей схемой (справлена, спасибо пользователю MisHel64):
Немного сборки:
Блоки переключателя обмоток и отключения нагрузки собраны в сандвич и установлены вблизи передней панели. Рядом установлены реле отключения нагрузки и плата термоконтроллера вентилятора.

С внутренней стороны, к корпусному вентилятору прикручен радиатор (от какого-то старого процессора). К радиатору на термопасту прикручен транзистор и датчик термоконтроллера. Все установлено в корпус с задней стороны.

Основная плата установлена на высоких стойках вниз деталями. Такое расположение, хоть и не самое теплоэффективное, но по другому плату и трансформатор в этом корпусе не разместить.

Обмотки трансформатора я решил подключить при помощи клемм Wago, получилось очень удобно. В проводах небольшой сумбур, хотя они укладывались и стягивались стяжками. Может потом переделаю…
И последний компонент — стабилизатор на 5В, выполненный навесным монтажом на радиаторе. И пара заключительных фото, вид сзади и собранный БП. Сзади расположены разъем питания, выключатель питания, предохранитель и выключатель (синего цвета) дополнительной линии 5В.

Теперь перейдем к тестированию. Сразу оговорюсь, что тестировать будем не столько саму плату БП, сколько всю конструкцию в сборе. Начнем с индикатора. Под спойлером находятся наглядные фото тестирования. Показания сравнивались с эталонным профессиональным цифровым мультиметром Актаком АМ-1095.

Тестирование показаний вольметра

Амперметр тестировался при помощи нагрузочного резистора 10Ом 50Вт.Если вспомним закон Ома, то легко прикинем, с этим резистором показания тока должны быть в 10 раз меньше показаний вольтметра, в чем сейчас и убедимся. Сравнивать показания будем по прежнему с Актакомом.

Тестирование показаний амперметра

После проведенных измерений я даже зауважал этот индикатор и мне захотелось его назвать «прибором» )).

А вот от платы блока питания больше 26В при 10 Омной нагрузке, а токе, соответственно, в 2.6А, получить не удалось, хотя на холостом ходу блок питания выдает 31В.

Тестируем стабилизацию тока (мультиметр, в режиме измерения тока, напрямую подключен к выходным клеммам):

Фотки

Видим, что регулировка тока возможна до 3. 6А.
Я все-таки решил выяснить какая просадка выходного напряжения будет при почти максимальном токе. У меня нашлись два резистора по 3,3Ом 50Вт, соединил их последовательно и подключил к выходным клеммам — результат на фото:

Еще тесты:

Сравним напряжение на выходе выпрямителя с выходным. (На мультиметре напряжение на выходе диодного моста)
Слева без нагрузки, справа с нагрузкой:
Тоже самое, но меряем переменку на выходе транса:
Небольшие выводы:
-напряжение на выходе транса просаживается под нагрузкой на 1,6в, хотя трансформатор 150Вт, а на выходе около 80Вт.
-напряжение на выходе диодного моста просаживается под той же нагрузкой, уже на 6В.
-выходное же напряжение просаживается на 8,5В при той же нагрузке около 80Вт.
Надо, конечно с этим что-то делать… хотя мне этого рабочего диапазона для работы вполне хватит.

Ну, вот осталось только измерить пульсации, хотя для линейных блоков питания это наверное излишне и надо скорее, что бы подчеркнуть их беспроблемность в этом плане, хотя…

Меряем пульсации

Сразу оговорюсь, т. к. блок линейный, на показания частотомера обращать внимания не стоит — он меряет абы что… Меряем: эффективное значение (минимальные показания на скриншотах), максимум пиковый (средние показания) и диапазон (максимальные значения).
10В, 1А:
10В, 2,1A:
12В, 3,5А:
24В, 3,5А:
все красиво, но есть нюанс: когда блок близок к моменту, когда начинает проседать напряжение, т.е. близок к своему пределу, то откуда-то возникают дикие помехи. Вот на фото ниже работает только 1 обмотка транса, т.е. на вход блока питания подается около 12В переменки, и нагрузка в 3А уже явилась предельной и поперли помехи. А если бы на вход подавалось большее напряжение, то блок работал бы в штатном режиме. Вот надо такой нюанс учитывать.
10В, 3А:

Подтверждение покупок

В этом обзоре я рассмотрел сразу 3 приобретенных мной товара, а также еще пару полезных самодельных дополнений. Устройство получилось годное, но с некоторыми нюансами. Как минимум я попробую заменить выходной транзистор, т.к. проскакивала информация, что у китайцев они поддельные.
Вот и подошел к концу мой первый обзор. Высказывайте свои мнения. Спасибо за внимание!

припаяй это по-человечески!: Как сделать переключатель обмоток и налепить кучу ошибок!

Категорически всех приветствую! Давно не было обновлений, но тут внешние факторы замучали. Из хорошего — появился в личном пользовании карманный осциллограф-мультиметр-генератор Hantek 2D72, из плохого — лаборатория ППЧ попала во вражеское окружение, потом случились праздники, часть деталей переехала домой, а дома тоже никак не получается организовать работу, вот так и перебиваюсь.

И будучи подпираем со всех сторон обстоятельствами, я похоронил все проекты, требующие интеллектуального преодоления и взялся доделать довольно простой проект — давно задуманный лабораторный БП. Собираю я его по мотивам всем известного ПИДБП (гугл ит!) из «кубиков»-модулей, и по мере сил они компонуются в относительно продуманную конструкцию. Кубиков много, тут и трансформатор, и выпрямитель, и «мозг» на LM324 и ИОН, и измерительная часть…

Трансформатор для лабораторного БП достался мне со множеством выводов. Если не опускаться ниже величины 12 Вольт, требуемых для ИОН, я могу пользоваться обмотками на 13В и 27В. Большая часть современной аппаратуры цифровая, с напряжениями 3,3В и 5В, так что припаять выпрямитель к обмотке на 27В — немалый риск, на ключевом транзисторе (он у меня 2Т825Г) будет рассеиваться слишком много энергии, что приведет рано или поздно к беде. Вот условный пример. Например, у нас есть скажем нагрузка с напряжением 3В и током 2А. Допустим, лампа — для простоты. То есть 6 Ватт. На эмиттере транзистора 27×1.44=38.88В выпрямленных, значит транзистор должен погасить 35,88В которые помноженные на 2 Ампера тока нагрузки дадут 71,76 Ватта мощности для отопления квартиры. В реальности будет меньше, ибо напряжение на выходе выпрямителя неизбежно просядет, но тем не менее, лишних ватт так шестьдесят куда-то надо будет девать. У любого транзистора есть зона ОБР (область безопасных режимов) из которой нежелательно выходить и даже не приближаться к краю. Так что в том же эксперименте если взять обмотку на 13В то 13×1.44=18,72В и соответственно 15,72×2=31,44 лишних Ватта будут греть транзистор, что тоже немало, однако намного меньше 71,76 Вт, и значит в целом безопаснее.

Я не буду заморачиваться слишком сильно, как пример, запитывать ИОН от отдельного трансформатора, чтобы совсем опустить напряжение выпрямителя, и не буду городить гирлянды реле. Мне нужен всего один порог переключения, при увеличении выходного напряжения выше порога 10В выпрямитель нужно переключить с обмотки 13В на обмотку 27В. Это можно сделать всего лишь одним переключающим контактом и реле понадобится только одно. У меня не фабрика реле, хоть одно имеется — и на том спасибо!

Нагуглить по теме можно немало. В русскоязычном сегменте строителей блоков питания есть несколько «направлений». Симисторные переключатели — сразу в лес. Дорого, ненадежно и громоздко. Схема «Владимир 65» — в качестве датчика напряжения используется «энциклопедическая» микросхема TL431, которая через транзистор управляет 12-вольтовым реле. От этой схемы тоже пришлось откреститься, поскольку подходящего реле с контактами на нужный ток у меня нет, а делитель в цепи управления TL431 выполнен неочевидным способом, так что сходу пересчитать параметры не получится. То есть надо макетировать и крутить параметры паяльником, что не очень здорово.

Мне осталась одна забава, (пальцы в рот, да веселый свист!) — самому придумать эту простую переключалку, чтобы можно было использовать реле с катушкой на 24В. В качестве порогового элемента я остановился на консервативном варианте — компараторе LM393 (LM2903). Несмотря на то, что компаратор у меня запитан от внешнего ИОН с напряжением 12,15В, и опорное напряжение можно было сформировать делителем, я решил опору сделать на TL431, которая дает 2,5В as is, работая как тупой стабилитрон, но предсказуемо и точно, требуя меньшего минимального тока стабилизации.

И при внешней простоте конструкции я умудрился налепить немало ошибок. Надеюсь, что разбор моих ошибок поможет не совершать их тем, кто их еще не совершал.

Как известно, компаратор LM393 не может генерировать вытекающий ток. Если по-русски — выходной каскад компаратора представляет собой ключ, замыкающий выход (1 ножка) на минус. Следовательно, его надо подтягивать к плюсу питания резистором в любом случае. 

Но я путаю все время логику работы компаратора. В моем понимании, когда компаратор сработал это означает, что ключ открылся, то есть на выходе логический 0. А в понимании разработчиков, когда компаратор сработал, на выходе 1, то есть ключ закрыт. Википедия однозначно говорит, что я осел, но кто ее читает-то?

Компара́тор аналоговых сигналов (от лат.comparare «сравнивать») — сравнивающее устройство: электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая сигнал высокого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе («+») больше, чем на инвертирующем (инверсном) входе («−»), и сигнал низкого уровня, если сигнал на неинвертирующем входе меньше, чем на инверсном входе.

А исходя из моих заблуждений, я сперва прицепил выход компаратора к плюсу через светодиод оптопары и готовился пить боржоми, почивая на лаврах. Да, исходя из постулата

«Граждане, опасайтесь случайных гальванических связей!»

мной в качестве исполнительного элемента сразу и без раздумий был выбран оптрон из самых популярных — PC817, а значит, главная задача — зажечь его светодиод тем или иным способом, остальное — дело техники.

Первый вариант. Не попал в фазу.

В таком виде схема заработала, но не так, как мне хотелось. Все было на месте, и порог я выставил 10,2 В без труда, и гистерезис на месте тоже, 9,2В напряжение отключения реле. Только вот все наоборот. Реле при напряжении ниже 10В включено, а выше 10В — выключено. Мне это не подошло. То есть, нормально замкнутый контакт реле требуется подключить к обмотке с напряжением 27В и конденсатор фильтра сразу заряжается до 38В. Не проще ли его сперва зарядить до 18 и до греха не доводить?
Поскольку модуль был уже спаян (и довольно компактно спаян!), вариантов переделки было не очень много. Самое простое — перекрестить ноги компаратора + и — мне не подошло, ибо неудобно и все считай заново перепаивать. Поэтому я переставил светодиод вниз.

Второй вариант. Убил гистерезис.

В этом варианте, компаратор, открывшись, гасит светодиод и реле отпускает. То есть условие выполняется. Но пропал гистерезис! Пришлось крутить фазу еще одним элементом — транзистором.

Третий вариант. И фаза и гистерезис в порядке.

Здесь, когда на выходе компаратора единица, транзистор открыт, светодиод зажжен, измеряемое напряжение приподнято через резистор R1 и гистерезис на месте.
Казус вышел и с выходным каскадом, там я попробовал включить реле прямо через оптрон, и несмотря на то, что транзистор оптрона держит 50В на коллекторе, и небольшой ток обмотки реле 30 мА, оптрон практически сразу вышибло. Так что я схватил первый попавшийся средней мощности транзистор и сделал выходной каскад с ним. Конечно же сюда пойдет всякий мусор типа КТ814Г, любой другой p-n-p транзистор с допустимым напряжением больше 30В и током коллектора от 100 мА и выше.
Дальше мне осталось добавить в схему источник питания для реле — выпрямитель — и собрать все в кучу.

Принципиальная схема.

Здесь PDF
За гистерезис отвечает резистор R6, его пришлось увеличить чтобы не уменьшать порог отключения реле слишком сильно. В качестве транзистора, управляющего оптроном, T1, я поставил «цифровой», со встроенными резисторами базы — очень удобно.
Конструкция собрана как обычно, на макетке. Так удобнее вносить изменения на ходу.

Лицевая сторона платы.

Задняя сторона платы.

Что же касается самой схемы, по ряду причин мне ее удобнее было рисовать в EasyEda. Когда я начал ее рисовать, в приложении не сразу нашлась кнопка FLIP, так что схему я начертил справа налево и не понял как перенумеровать элементы. Больше не буду 🙂 Схема 100% рабочая, можете использовать ее всяко — как фотодатчик там, или индикатор затопления свинарника, ну или как у меня, чтобы переключать обмотки. Второй компаратор свободен, так что можно добавить второй уровень переключения аналогично первому, добавив второй выходной каскад и реле.

Блоки питания для источников опорного напряжения, Часть 1

Когда речь заходит об источниках опорного напряжения со сверхнизким уровнем шума, низким температурным коэффициентом и долговременно стабильным напряжением, в какой-то момент возникает вопрос «Как его запитать?». После обсуждения в EEVBlog и видео Марко Репса, представленного в [2], пришло время более подробно рассмотреть эту очень важную тему.

Одним из способов питания эталонной схемы является использование батарей. Преимущество в том, что они малошумные и не имеют сетевого шума. В настоящее время доступно множество различных типов аккумуляторов, упомянем лишь некоторые из них: щелочные свинцово-кислотные, NiMH, LiPo, LiFePo. В прошлом были проведены измерения различных типов аккумуляторов, и было показано, что NiCd аккумуляторы имеют самый низкий уровень шума [3], [4]. Поскольку они страдают от использования токсичного кадмия, было предложено использовать в качестве замены технологию NiMH.

Однако при работе эталона напряжения или эталона напряжения с батареями в какой-то момент их необходимо заменить или перезарядить, что означает, что эталон должен быть выключен. Один из способов встретить это описан в [5] и [6]. Здесь источники питания отключаются во время преобразования АЦП, и в это время схемы потребляют тихую энергию от заряженных конденсаторов. Поскольку это работает для АЦП, это не подходит для источника опорного напряжения.

Другая возможность состоит в том, чтобы использовать две группы перезаряжаемых батарей, запуская цепь на одной батарее, в то время как другая заряжается, переключаясь между двумя батареями. Переключение между пакетами может быть основано либо на фиксированном интервале времени, либо на основе состояния батареи загруженной батареи, что добавляет дополнительную нагрузку на батарею. Если должны наблюдаться оба состояния батареи, загруженная и заряжаемая, необходимы дополнительные усилия для реализации изолированного монитора батареи. Каким бы очаровательным это решение ни звучало, во-первых, для его работы требуется в два раза больше батарей, что достигается за счет веса и ограничений при доставке эталона для взаимных сравнений с национальными и более важными международными курьерскими службами.

Таким образом, необходимо питание эталона от сети, в то время как источник питания должен вести себя как батарея и, следовательно, иметь низкий уровень шума, а также малую утечку, без связи с землей. Кроме того, он должен быть легким. Как бы сложно это ни звучало, добиться этого сложно, но возможно.

Но как узнать, что сетевой блок питания ведет себя как батарея для эталонного напряжения? Подключите его к аккумулятору и проверьте его выходное напряжение, а затем переключите его на источник питания от сети. Если он остается малошумным и не сдвигается по выходному напряжению, то вы достигли цели.

Какие решения доступны на рынке и что используется в коммерческих эталонах напряжения?

Рис. 1. Блок-схема Fluke 732A

Упоминаются решения с использованием защищенных трансформаторов сетевой частоты, которые громоздки и часто имеют высокую незащищенную емкость, или специально сконструированных тороидальных трансформаторов с двойным экраном [7]. Такие линейные трансформаторы используются, например. в Fluke 732A, а также доступны в виде тороидальных трансформаторов (см. рис. 1) или трансформаторов с R-образным сердечником и экраном (см. рис. 2).

Рисунок 2: Экранированный тороидальный трансформатор [8].

Рисунок 3. Трансформатор с R-сердечником

Такие трансформаторы с R-сердечником были испытаны для малошумящих лабораторных источников питания в сочетании с LT3045, но они большие, тяжелые и не достигают производительности решений, обсуждаемых далее [9].

В современных решениях используются преобразователи постоянного тока с низким уровнем шума, представленные в [10], [11], [12], [13] и [14] . Хотя низкий уровень шума может быть достигнут, высокая изоляция требует дополнительных усилий по отношению к трансформатору. В [15] описан коаксиальный кабельный трансформатор. Он основан на коаксиальных кабелях, намотанных на сердечник, для уменьшения емкостной связи между первичной и вторичной обмотками, возникающей из-за взаимной емкости между ними. Между внутренним и внешним коаксиальными проводниками, действующими как первичная и вторичная обмотки, и концентрично с ними находится проводник экрана с избирательным заземлением. Этот проводник экрана заземлен так, что между соответствующими точками на экране и вторичной обмотке нет мгновенной разности потенциалов.

В [16] представлен изолированный трансформатор для использования в изолированных импульсных источниках питания постоянного тока, который использовался в DMM7510. Изолированный импульсный источник питания постоянного тока включает в себя изолирующий трансформатор с магнитным сердечником, первую обмотку вокруг магнитного сердечника, первый экран обмотки вокруг магнитного сердечника, второй экран обмотки внутри первого экрана обмотки и вторая обмотка внутри второго экрана обмотки. Прямая связь между первой обмоткой и второй обмоткой отсутствует, поскольку вторая обмотка заключена во второй экран обмотки, а второй экран обмотки заключена в первый экран обмотки.

Трансформатор Пикеринга

В [17] доступны изображения и схемы эталонного преобразователя Wavetek 7000, включая трансформатор постоянного тока. Используемый там трансформатор описан в [18]. Конструкция основана на двух кольцевых сердечниках, один для первичной и один для вторичной обмотки с медными обмотками. Сердечники окружены электростатическими экранами из материала со слабой проводимостью от 0,1 до 500 Ом/квадрат, действующими как клетка Фарадея. «… Два закрытых намотанных сердечника магнитно связаны с несколькими витками провода, соединенными в виде замкнутого контура. Затем эта соединительная обмотка охватывает оба сердечника, заставляя магнитное поле в одном сердечнике быть равным (и противоположным) магнитному полю другого.

Таким образом, в обмотке связи нет сетевого напряжения…». Такой трансформатор используется в Wavetek 7000 и ранних устройствах Fluke 7000, производимых Siga UK под номером детали BT4974 в W7000 и CT4974 в F7000, управляется дискретной схемой, но кроме этого о нем мало что известно. . Так что это счастье иметь хотя бы несколько изображений и измерений его реальной версии. На следующих изображениях основная сторона находится слева, а второстепенная — справа. На рис. 4 показан снятый с платы трансформатор.

Рис. 4: Wavetek и более ранний трансформатор Fluke 7000 преобразователя постоянного тока

Соединение между первичной и вторичной обмотками содержит 15 обмоток, которые в соответствии с [19] изготовлены из ПТФЭ и обеспечивают магнитную связь 99,7 %.

Рис. 5. Трансформатор Wavetek и более ранний /Fluke 7000 преобразователя постоянного тока — обмотка связи удалена

После снятия обмоток связи трансформатор разваливается на части. На рис. 5 показан трансформатор со снятым соединительным проводом. Есть еще две токопроводящие шайбы и какой-то белый изолятор между ними, судя по всему, из ПОМ. На рисунке 6 и рисунке 7 экраны открыты.

Рис. 6. Трансформатор преобразователя постоянного тока Wavetek и Fluke 7000 — первичная сторона (слева), вторичная сторона (справа)

Для первичной обмотки используется меньше обмоток с более толстыми проводами.

Рис. 7. Wavetek и прежний трансформатор Fluke 7000 преобразователя постоянного тока — первичная сторона (слева), вторичная сторона (справа)

компоненты экрана

Экраны состоят из двух равных частей (см. рис. 8 и рис. 9).).

Рис. 9. Трансформатор преобразователя постоянного тока Wavetek и Fluke 7000 предыдущего поколения — компонент с одним экраном

Из измерений известно, что дискретный генератор работает на частотах 4,323 кГц … 4,365 кГц. Медный провод первичной стороны имеет диаметр Ø = 0,3 мм, индуктивность L ≈ 46,175 мГн и Q ≈ 12,498 при измерении на частоте 10 кГц. Вторичная сторона имеет диаметр провода Ø = 0,25 мм, индуктивность L ≈ 111,06 мГн и Q ≈ 12,382 при измерении на частоте 10 кГц. С этими числами была настроена симуляция Spice, которая показывает частоту 4,179.кГц, что довольно близко к тому, что было измерено (см. рис. 10).

Рисунок 10: Схема преобразователя DC-DC на дискретной основе в Wavetek и более ранних моделях Fluke 7000

Кроме того, количество витков, измеренная индуктивность и размеры при внешнем диаметре 25 мм, внутреннем диаметре 16 мм и высотой 10 мм позволяют рассчитать материал сердечника с AL = 16000 (16 мкГн на виток). Лучше всего подходит кольцевой сердечник T60004-L2025-W375 производства Vacuumschmelze.

В более поздних моделях Fluke 7000 трансформатор был переработан и приводился в действие двухтактным каскадом с помощью Analog Devices LT1533 (см. рис. 11). Трансформатор теперь имеет центральные ответвления с обеих сторон. Индуктивность каждой первичной обмотки составляет L ≈ 4,2 мГн и L ≈ 13,0 мГн на вторичной стороне, а диаметр медного провода на первичной обмотке составляет Ø = 0,55 мм и Ø = 0,34 мм на вторичной. Эта версия преобразователя под названием ISOP упоминается в [19] и [20]. Здесь описывается проводящий экран, изготовленный из литого под давлением пластика, наполненного углеродным волокном, с удельным сопротивлением 5 Ом/квадрат. Измеренная частота генератора составила ~7,95 кГц.

Рис. 11. Схема преобразователя постоянного тока на основе LT1533 в Fluke 7000

Преимущество использования LT1533 заключается в реализации сигналов возбуждения и нагрузки с управлением по нарастанию для предотвращения очень быстрых фронтов. Это делает управляющие сигналы максимально симметричными, так что, например, в пределах основного экрана положительные и отрицательные фронты полностью сбалансированы. Вместе с использованием высокой проницаемости, высокой плотности насыщения, «нанокристаллических» сердечников…» возможна относительно низкочастотная работа (~7 кГц), что обеспечивает достаточно высокую удельную мощность по сравнению с 50/60 Гц и, кроме того, позволяет более агрессивное ограничение скорости нарастания. Было показано, что с этой новой версией трансформатора и схемой управления были достигнуты токи утечки 200 пА от пика к пику. Впечатляющие цифры!

На практике общая превосходная производительность достигается при питании Wavetek или Fluke 7000 от линейного настенного блока питания вместе со специальным преобразователем постоянного тока.

В то время как первичный экран напрямую связан с первичной землей и землей, вторичный экран соединен с вторичной землей, которая, в свою очередь, соединена с землей через высоковольтный конденсатор емкостью 1 нФ.

Это соединение экрана важно для правильного измерения первичной и вторичной емкости. Экраны не должны оставаться плавающими для правильного измерения.

Импульсный блок питания — wikidoc

Файл:ATX power Supply interior.jpg

Внутренний вид импульсного блока питания ATX.
A — мостовой выпрямитель
B — конденсаторы входного фильтра
C — трансформатор
D — катушка выходного фильтра
E — конденсаторы выходного фильтра

File:Switching power Supply. jpg

Импульсный блок питания для лабораторного использования.

A Импульсный источник питания , Импульсный источник питания или SMPS , представляет собой электронный блок питания (БП), в состав которого входит импульсный стабилизатор. В то время как линейный регулятор поддерживает желаемое выходное напряжение, рассеивая избыточную мощность в «проходном» силовом транзисторе, SMPS быстро переключает силовой транзистор между режимами насыщения (полностью открыт) и отсечкой (полностью закрыт) с переменным рабочим циклом, среднее значение которого является желаемым. выходное напряжение. Полученный прямоугольный сигнал подвергается фильтрации нижних частот с помощью катушки индуктивности и конденсатора. Основным преимуществом этого метода является более высокая эффективность, поскольку переключающий транзистор рассеивает небольшую мощность в насыщенном состоянии и выключенном состоянии по сравнению с полупроводниковым состоянием (активная область). Другие преимущества включают меньший размер и меньший вес (из-за отказа от низкочастотных трансформаторов, которые имеют большой вес), а также меньшее тепловыделение из-за более высокой эффективности. Недостатки включают большую сложность, генерирование высокой амплитуды, высокочастотной энергии, которую должен блокировать фильтр нижних частот, чтобы избежать электромагнитных помех, а также пульсации напряжения на частоте переключения и частотах ее гармоник.

SMPS можно разделить на четыре типа в соответствии с формой входного и выходного сигнала, как показано ниже.

• Вход переменного тока, выход постоянного тока: выпрямитель, входной каскад автономного преобразователя.
• Вход постоянного тока, выход постоянного тока: преобразователь напряжения или преобразователь тока, или преобразователь постоянного тока в постоянный
• Вход переменного тока, выход переменного тока: преобразователь частоты, циклопреобразователь
• Вход постоянного тока, выход переменного тока: инвертор

Переменный ток и постоянный ток — это сокращения для переменного и постоянного тока.

Содержание

• 1 Сравнение импульсных и линейных источников питания
• 2 Как работает SMPS
  • 2. 1 Входной выпрямительный каскад
  • 2.2 Инверторный каскад
  • 2.3 Преобразователь напряжения и выходной выпрямитель
  • 2.4 Постановление
• 3 Конструкция трансформатора
• 4 Коэффициент мощности
• 5 типов
• 6 приложений
• 7 См. также
• 8 Внешние ссылки
• 9 Ссылки на книги
• 10 Каталожные номера

Сравнение импульсных и линейных источников питания

Доступны два основных типа регулируемых источников питания: импульсные и линейные. Причины выбора того или иного типа можно резюмировать следующим образом.

Выход

Сравнение линейного источника питания и импульсного источника питания

	Линейный источник питания	Импульсный источник питания	Примечания
Размер и вес	Огромный из-за низкой рабочей частоты (частота сети 50 или 60 Гц)	Меньше из-за более высокой рабочей частоты (обычно 50 кГц — 1 МГц)	Допустимая мощность трансформатора данного размера и веса увеличивается с увеличением частоты при условии, что гистерезисные потери могут быть снижены. Следовательно, более высокая рабочая частота означает либо более высокую мощность, либо меньший трансформатор.
Выходное напряжение	Выход может создавать только положительное/отрицательное напряжение, которое изменяется в зависимости от нагрузки.	может создавать напряжение ниже, выше или даже ниже входного напряжения с улучшенной регулировкой.	SMPS обычно может справиться с более широкими изменениями входного сигнала до изменения выходного напряжения.
КПД, рассеивание тепла и мощности	Выходное напряжение регулируется за счет отвода избыточной мощности в виде тепла, что неэффективно.	Выход регулируется с помощью управления рабочим циклом, при котором потребляется только мощность, необходимая нагрузке. Во всех топологиях SMPS транзисторы всегда полностью открыты или полностью выключены.	Тепло выделяется только неидеальными аспектами компонентов. Коммутационные потери в транзисторах, сопротивление переключающих транзисторов в открытом состоянии, эквивалентное последовательное сопротивление в катушке индуктивности и конденсаторах, а также падение напряжения на выпрямителе снижают эффективность ИИП. Однако, оптимизировав конструкцию SMPS, можно свести к минимуму количество потерь мощности и тепла. Хороший дизайн может иметь эффективность 95%.
Сложность	Состоит из ИС или дискретной схемы регулирования напряжения и конденсатора, фильтрующего помехи.	Состоит из микросхемы контроллера, одного или нескольких силовых транзисторов и диодов, а также силового трансформатора, катушек индуктивности и фильтрующих конденсаторов.	Один сердечник трансформатора может генерировать несколько напряжений. Для этого SMPS должны использовать управление рабочим циклом. Оба нуждаются в тщательном выборе трансформаторов. Из-за высоких рабочих частот в SMPS становятся важными паразитная индуктивность и емкость дорожек печатной платы.
Радиопомехи	Помехи не создаются, за исключением возможности наведения сетевого шума в неэкранированные кабели.	Электромагнитные/радиопомехи возникают из-за резкого включения и выключения тока. Следовательно, для уменьшения разрушительных помех необходимы фильтры электромагнитных помех и радиочастотное экранирование.	Длинные провода между компонентами могут снизить эффективность высокочастотного фильтра, обеспечиваемого конденсаторами на входе и выходе.
Электронный шум на выходных клеммах	Нерегулируемые блоки питания могут иметь небольшое количество переменного тока, «находящегося» на компоненте постоянного тока, на удвоенной основной частоте (100–120 Гц). Это может вызвать слышимый гул сети в звуковом оборудовании или неожиданные пульсации яркости или другие полосатые искажения в аналоговых камерах безопасности.	Более шумный из-за частоты переключения SMPS. Выходной сигнал без фильтрации может вызвать сбои в цифровых цепях или шум в аудиоцепях.	Это можно подавить с помощью конденсаторов и другого фильтрующего оборудования в выходном каскаде.
Электронный шум на входных клеммах	Вызывает гармонические искажения входного переменного тока, но не вызывает высокочастотного шума.	Очень недорогой SMPS может возвращать электрические помехи от коммутации обратно в линию электропитания, создавая помехи для аудио- и видеооборудования, подключенного к той же фазе. SMPS без коррекции коэффициента мощности также вызывают гармонические искажения.	Этого можно избежать, если (должным образом заземленный) фильтр электромагнитных/радиочастотных помех подключить между входными клеммами и мостовым выпрямителем.
Акустический шум	Слабый, обычно неслышный гул сети, обычно из-за вибрации обмоток трансформатора и/или магнитострикции.	Не слышен для людей, если у них нет вентилятора или они не загружены/не работают со сбоями.	Рабочая частота ненагруженного SMPS иногда находится в пределах слышимости человека.
Коэффициент мощности	Низкий, потому что ток отбирается от сети на пиках синусоиды напряжения.	В диапазоне от низкого до среднего, так как простой SMPS без PFC потребляет пики тока на пиках синусоиды переменного тока.	Активная/пассивная коррекция коэффициента мощности в SMPS может решить эту проблему и даже требуется некоторыми органами по регулированию электроэнергетики, особенно в Европе.
Риск поражения электрическим током	Ограничено либо полным сетевым напряжением, либо вторичными клеммами, контактирующими с телом.	Общая шина оборудования (включая корпус) находится под напряжением половины напряжения сети, если только оборудование не заземлено/заземлено или не содержит фильтрацию электромагнитных/радиопомех на входных клеммах.	В соответствии с правилами, касающимися излучения электромагнитных/радиочастотных помех, многие импульсные источники питания содержат фильтрацию электромагнитных/радиопомех на входном каскаде перед мостовым выпрямителем, состоящим из конденсаторов и катушек индуктивности. Два конденсатора соединены последовательно с шинами под напряжением и нейтралью с заземлением между двумя конденсаторами. Это формирует емкостный делитель, который питает общую шину с половинным напряжением сети. Его источник тока с высоким импедансом может вызывать у оператора покалывание или укус или может использоваться для включения светодиода замыкания на землю. Однако этот ток может вызвать ложное срабатывание наиболее чувствительных устройств защитного отключения.
Риск разрушения оборудования	Очень низкий уровень, за исключением случаев короткого замыкания между первичной и вторичной обмотками или выхода из строя регулятора из-за внутреннего короткого замыкания.	Способен разрушать входные каскады в усилителях из-за плавающего напряжения, превышающего напряжение пробоя база-эмиттер транзистора, что приводит к падению коэффициента усиления транзистора и увеличению уровня шума. [1]	Плавающее напряжение вызвано конденсаторами, шунтирующими первичную и вторичную стороны источника питания. Подключение к заземленному оборудованию вызовет мгновенный (и потенциально разрушительный) всплеск тока на разъеме, поскольку напряжение на вторичной стороне конденсатора выравнивается с потенциалом земли.

Принцип работы SMPS

File:SMPS Block Diagram.png

Блок-схема SMPS AC-DC с питанием от сети и регулировкой выходного напряжения.

Входной выпрямительный каскад

Файл:Rectifiedwaves.png

Переменный ток, полупериодные и двухполупериодные выпрямленные сигналы

Если SMPS имеет вход переменного тока, то первый этап должен преобразовывать входной сигнал в постоянный. Это называется исправлением . Схема выпрямителя может быть сконфигурирована как удвоитель напряжения путем добавления переключателя, управляемого вручную или автоматически. Это особенность более крупных источников питания, позволяющая работать от источников питания с номинальным напряжением 120 или 240 вольт. Выпрямитель вырабатывает нерегулируемое постоянное напряжение, которое затем подается на большой конденсатор фильтра. Ток, потребляемый от сети этой схемой выпрямителя, возникает короткими импульсами вокруг пиков переменного напряжения. Эти импульсы имеют значительную высокочастотную энергию, что снижает коэффициент мощности. Следующие SMPS могут использовать специальные методы управления, чтобы заставить средний входной ток следовать синусоидальной форме входного напряжения переменного тока, поэтому разработчик должен попытаться скорректировать коэффициент мощности. Для SMPS с входом постоянного тока этот каскад не требуется. SMPS, предназначенный для ввода переменного тока, часто может работать от источника постоянного тока (для 230 В переменного тока это будет 330 В постоянного тока), поскольку постоянный ток проходит через ступень выпрямителя без изменений. Тем не менее, рекомендуется проконсультироваться с руководством, прежде чем пытаться это сделать, хотя большинство расходных материалов вполне способны на такую ​​операцию, хотя в документации ничего не упоминается. Однако этот тип использования может быть вредным для каскада выпрямителя, поскольку он будет использовать только половину диодов в выпрямителе для полной нагрузки. Это может привести к перегреву этих компонентов и выходу из строя из-за короткого замыкания. ^[2]

Если используется переключатель входного диапазона, ступень выпрямителя обычно конфигурируется для работы в качестве удвоителя напряжения при работе в диапазоне низкого напряжения (~120 В переменного тока) и в качестве прямого выпрямителя при работе в диапазоне высокого напряжения. (~240 В переменного тока). Если переключатель входного диапазона не используется, то обычно используется двухполупериодный выпрямитель, а последующий инверторный каскад просто спроектирован так, чтобы быть достаточно гибким, чтобы принимать широкий диапазон напряжений постоянного тока, которые будут создаваться каскадом выпрямителя. В более мощных SMPS может использоваться некоторая форма автоматического переключения диапазонов.

Инверторный каскад

Инверторный каскад преобразует постоянный ток, будь то непосредственно со входа или с описанного выше выпрямительного каскада, в переменный ток, пропуская его через силовой генератор, чей выходной трансформатор очень мал с несколькими витками и частотой в десятки или сотни килогерц (кГц). Частота обычно выбирается выше 20 кГц, чтобы человек не слышал ее. Выходное напряжение оптически связано со входом и, таким образом, очень жестко контролируется. Коммутация реализована в виде многокаскадного (для достижения высокого коэффициента усиления) усилителя на МОП-транзисторах. МОП-транзисторы представляют собой тип транзисторов с низким сопротивлением во включенном состоянии и высокой пропускной способностью по току. Этот раздел относится к блоку, обозначенному на блок-схеме как «Chopper».

Преобразователь напряжения и выходной выпрямитель

Если выход необходимо изолировать от входа, как это обычно бывает в сетевых источниках питания, инвертированный переменный ток используется для питания первичной обмотки высокочастотного трансформатора. Это преобразует напряжение вверх или вниз до требуемого выходного уровня на его вторичной обмотке. Выходной трансформатор на блок-схеме служит этой цели.

Если требуется выход постоянного тока, выход переменного тока трансформатора выпрямляется. Для выходных напряжений выше десяти вольт или около того обычно используются обычные кремниевые диоды. Для более низких напряжений в качестве элементов выпрямителя обычно используются диоды Шоттки; их преимущества заключаются в более быстром времени восстановления, чем у кремниевых диодов (что позволяет работать с малыми потерями на более высоких частотах) и меньшем падении напряжения при проведении. Для еще более низких выходных напряжений полевые МОП-транзисторы можно использовать в качестве синхронных выпрямителей; по сравнению с диодами Шоттки они имеют еще более низкое падение напряжения во включенном состоянии.

Затем выпрямленный выходной сигнал сглаживается фильтром, состоящим из катушек индуктивности и конденсаторов. Для более высоких частот переключения необходимы компоненты с меньшей емкостью и индуктивностью.

Более простые неизолированные источники питания содержат катушку индуктивности вместо трансформатора. Этот тип включает повышающие преобразователи , понижающие преобразователи и так называемые повышающе-понижающие преобразователи . Они относятся к простейшему классу преобразователей с одним входом и одним выходом, в которых используется один индуктор и один активный ключ (MOSFET). Понижающий преобразователь уменьшает входное напряжение прямо пропорционально отношению времени включения активного переключателя к общему периоду переключения, называемому рабочим циклом. Например, идеальный понижающий преобразователь с входным напряжением 10 В, работающий с рабочим циклом 50 %, будет давать среднее выходное напряжение 5 В. Контур управления с обратной связью используется для поддержания (регулирования) выходного напряжения путем изменения рабочего цикла для компенсации изменений входного напряжения. Выходное напряжение повышающий преобразователь всегда больше, чем входное напряжение, а выходное понижающе-повышающее напряжение инвертируется, но может быть больше, равно или меньше величины его входного напряжения. Существует множество вариантов и расширений этого класса преобразователей, но эти три составляют основу почти всех изолированных и неизолированных преобразователей постоянного тока в постоянный. Путем добавления второго индуктора можно реализовать преобразователи Чука и SEPIC или путем добавления дополнительных активных переключателей можно реализовать различные мостовые преобразователи.

Другие типы SMPS используют конденсаторно-диодный умножитель напряжения вместо катушек индуктивности и трансформаторов. Они в основном используются для создания высоких напряжений при малых токах. Вариант с низким напряжением называется зарядным насосом.

Регламент

Цепь обратной связи отслеживает выходное напряжение и сравнивает его с опорным напряжением, которое устанавливается вручную или электронным способом на требуемый выходной сигнал. Если есть ошибка в выходном напряжении, цепь обратной связи компенсирует это, регулируя время включения и выключения полевых МОП-транзисторов. Эта часть источника питания называется импульсным регулятором. Для этой цели служит «контроллер прерывателя», показанный на блок-схеме. В зависимости от требований к конструкции/безопасности контроллер может содержать или не содержать механизм изоляции (например, оптопары), чтобы изолировать его от выхода постоянного тока. Коммутационные блоки в компьютерах, телевизорах и видеомагнитофонах имеют эти оптопары для жесткого контроля выходного напряжения.

Регуляторы без обратной связи не имеют цепи обратной связи. Вместо этого они полагаются на подачу постоянного напряжения на вход трансформатора или катушки индуктивности и предполагают, что выход будет правильным. Регулируемые конструкции работают против паразитной емкости трансформатора или катушки, монополярные конструкции также против магнитного гистерезиса сердечника.

Цепи обратной связи требуется питание для работы, прежде чем она сможет генерировать питание. поэтому добавляется дополнительный непереключаемый блок питания для режима ожидания.

Конструкция трансформатора

Трансформаторы SMPS работают на высокой частоте. Большая часть экономии затрат (и экономии места) в «автономных» источниках питания связана с тем, что высокочастотный трансформатор намного меньше, чем трансформаторы 50/60 Гц, использовавшиеся до SMPS.

В конструкции трансформаторов на 50 Гц и 500 кГц есть несколько отличий. Во-первых, низкочастотный трансформатор обычно передает энергию через свой сердечник (мягкое железо), в то время как сердечник (обычно ферритовый) высокочастотного трансформатора ограничивает утечку. Поскольку формы сигналов в SMPS обычно являются высокоскоростными (прямоугольные волны ШИМ), проводка должна быть способна поддерживать высокие гармоники базовой частоты из-за скин-эффекта, который является основным источником потерь мощности.

Коэффициент мощности

Простые импульсные блоки питания с автономным режимом работы содержат простой двухполупериодный выпрямитель, подключенный к большому конденсатору, накапливающему энергию. Такие SMPS потребляют ток из сети переменного тока короткими импульсами, когда мгновенное напряжение сети превышает напряжение на этом конденсаторе. В течение оставшейся части цикла переменного тока конденсатор подает энергию в источник питания.

В результате входной ток таких основных импульсных источников питания имеет высокое содержание гармоник и относительно низкий коэффициент мощности. Это создает дополнительную нагрузку на инженерные сети, увеличивает нагрев трансформаторов и стандартных электродвигателей переменного тока и может вызвать проблемы со стабильностью в некоторых приложениях, таких как системы аварийного генератора или авиационные генераторы. Гармоники можно удалить с помощью блоков фильтров, но фильтрация стоит дорого, и энергоснабжающей организации может потребоваться предприятие с очень низким коэффициентом мощности для покупки и установки фильтрации на месте.

В 2001 году Европейский союз ввел в действие стандарт IEC/EN61000-3-2, устанавливающий ограничения на гармоники входного переменного тока до 40-й гармоники для оборудования мощностью более 75 Вт. Стандарт определяет четыре класса оборудования в зависимости от его тип и текущая форма сигнала. Наиболее жесткие ограничения (класс D) установлены для персональных компьютеров, компьютерных мониторов и телевизионных приемников. Чтобы соответствовать этим требованиям, современные импульсные источники питания обычно включают в себя дополнительную ступень коррекции коэффициента мощности (PFC).

Установка повышающего прерывателя с регулируемым током после автономного выпрямителя (для зарядки накопительного конденсатора) может помочь скорректировать коэффициент мощности, но увеличивает сложность (и стоимость).

Типы

Импульсные источники питания можно классифицировать в соответствии с топологией схемы.

Тип	Мощность [Вт]	Типичная эффективность	Относительная стоимость	Диапазон ввода [В]	Изоляция	Аккумулятор энергии	Отношение напряжения	Особенности
Бак	0–1000	75%	1,0	5–1000*	Н	Один индуктор	Выход < Вход
Повышение	0–150	78%	1,0	5–600*	Н	Один индуктор	Вне > В
Бак-усилитель	0–150	78%	1,0	5–600*	Н	Один индуктор	вверх или вниз	Инверсное выходное напряжение
Обратный ход	0–150	78%	1,0	5–600	Д	Трансформатор	вверх или вниз	Несколько выходов
Полувперед	0–250	75%	1,2	5-500	Д	Трансформатор + дроссель
Вперед		78%			Д	Трансформатор + дроссель		Несколько выходов
Двухтактный	100–1000	72%	1,75	50–1000	Д
Полумост	0–500	72%	1,9	50–1000	Д
Полный мост	400–2000	69%	>2,0	50–1000	Д
Резонансный, переключаемый при нулевом напряжении	>1000		>2,0
Чук					Н	Конденсатор + две катушки индуктивности		Отрицательное напряжение для положительного входа.
Инвертирующий нагнетательный насос (модифицированный Ćuk)					Н	Один индуктор		Выходное напряжение отрицательное и выше положительного входного напряжения.
СЕПИК					Н	Две катушки индуктивности	вверх или вниз
Нагнетательный насос					Н	Только конденсаторы		Зарядовые насосы, используемые для создания очень высокого напряжения, обычно называют умножителями напряжения.

^[3]

• Только для оборудования, недоступного для человека, в противном случае для одобрения UL, CSA, VDE применяются ограничения <42,5 В и 8,0 А.

Применение

Импульсные блоки питания в бытовых изделиях, таких как персональные компьютеры, часто имеют универсальные входы, что означает, что они могут получать питание от большинства источников питания по всему миру с номинальной частотой от 50 Гц до 60 Гц и напряжением от 100 В. до 240 В (хотя может потребоваться ручной переключатель «диапазона» напряжения). На практике они будут работать в гораздо более широком диапазоне частот и часто также от источника постоянного тока. В 2006 году Intel предложила использовать один источник питания 12 В внутри ПК из-за высокой эффективности импульсных источников питания непосредственно на печатной плате.

Большинство современных настольных и портативных компьютеров уже имеют преобразователь постоянного тока на материнской плате, чтобы понизить напряжение от блока питания или аккумулятора до напряжения ядра ЦП — от 0,8 В для низковольтного ЦП до обычно 1,2 -1,5 В для ЦП настольного компьютера по состоянию на 2007 год. Большинство портативных компьютеров также имеют инвертор постоянного тока в переменный для повышения напряжения от батареи для управления подсветкой, обычно около 1000 В (среднеквадратичное значение). ^[4]

Для некоторых применений, например, в автомобильной промышленности и в некоторых промышленных условиях, питание постоянным током выбирается, чтобы избежать шума и помех и упростить интеграцию конденсаторов и батарей, используемых для буферизации напряжения. В большинстве небольших самолетов используется 28 В постоянного тока, но в более крупных самолетах часто используется 120 В переменного тока с частотой 400 Гц, хотя они также часто имеют шину постоянного тока. Некоторые подводные лодки, такие как советская подводная лодка класса «Альфа», использовали два синхронных генератора, обеспечивающих переменный трехфазный ток, 2 x 1500 кВт, 400 В, 400 Гц. ^[5]

В случае с телевизорами, например, можно проверить отличную регулировку электропитания с помощью вариатора. Например, в некоторых моделях Philips подача питания начинается при достижении напряжения около 90 вольт. Оттуда можно изменить напряжение с помощью вариака, от 40 вольт до 260, и изображение не покажет абсолютно никаких изменений. ^{[ ссылка необходима ]}

См. также

• Трансформатор
• Индуктивность рассеяния
• Преобразователь постоянного тока в постоянный
• Импульсный усилитель

Внешние ссылки

• Конструкция импульсного источника питания
• Онлайн-семинар по проектированию блоков питания Unitrode
• Проект импульсного источника питания, имитация PSpice
• Импульсные источники питания. Достаточно подробное обсуждение типов преобразователей и схем управления. Не распространяется на современные микросхемы коммутаторов.
• Уоткинс, Стив, « История и развитие импульсных источников питания до 1987 «. 1998 ( ed . Библиография здесь.)
• [1]. Общее описание преобразователей постоянного тока.
Учебное пособие по преобразователю постоянного тока
• В этой статье описываются различные типы импульсных стабилизаторов, используемых для преобразования постоянного тока в постоянный.
• Введение в источники питания — National Semiconductor
• Сборник и база данных нормативов эффективности электроснабжения
Плакат с топологиями SMPS
• от TI
• Полезный веб-калькулятор и теоретический текст для различных топологий SMPS

Ссылки на книги

Шаблон:Без сносок

• AN19, Замечания по применению, Руководство по проектированию LT1070, подробное введение в Buck, Boost, CUK, применение инвертора с интегральной схемой. Карл Нельсон (скачать в формате PDF с http://www.linear.com/designtools/app_notes.jsp)
• Авраам И. Прессман (1997). Конструкция импульсного источника питания . Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-052236-7.
• Нед Мохан, Торе М. Унделанд, Уильям П. Роббинс (2002). Силовая электроника : преобразователи, приложения и конструкция . Уайли. ISBN 0-471-22693-9.
• Мухаммад Х. Рашид (2003 г.). Силовая электроника: схемы, устройства и приложения . Прентис Холл. ISBN 0-13-122815-3.
• Фан Линь Луо, Хун Е (2004). Усовершенствованные преобразователи постоянного тока в постоянный . КПР Пресс. ISBN 0-8493-1956-0.
• Минлян Лю (2006 г.). Демистификация схем с переключаемыми конденсаторами . Эльзевир. ISBN 0-7506-7907-7.
• Фан Линь Луо, Хонг Е, Мухаммад Х. Рашид (2005). Силовая цифровая силовая электроника и приложения . Эльзевир. ISBN 0-12-088757-6.
• Роберт В. Эриксон и Драган Максимович (2001).