Принцип работы импульсного блока питания: особенности конструкции и преимущества — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроен импульсный блок питания. Чем он отличается от трансформаторного. Каковы преимущества и недостатки импульсных источников питания. Как работают основные узлы импульсного БП.

Содержание

Конструкция и принцип работы импульсного блока питания

Импульсный блок питания (ИБП) — это современное устройство для преобразования переменного напряжения сети в постоянное напряжение, необходимое для питания электронной аппаратуры. В отличие от традиционных трансформаторных блоков питания, ИБП работает на высокой частоте, что позволяет значительно уменьшить габариты и вес устройства.

Основные узлы импульсного блока питания:

Входной выпрямитель и фильтр
Высокочастотный преобразователь (инвертор)
Импульсный трансформатор
Выходной выпрямитель и фильтр
Схема обратной связи и управления

Принцип работы ИБП заключается в следующем:

Сетевое напряжение выпрямляется и фильтруется
Полученное постоянное напряжение преобразуется инвертором в переменное высокой частоты (десятки-сотни кГц)

Высокочастотное напряжение трансформируется импульсным трансформатором
На выходе трансформатора напряжение выпрямляется и фильтруется
Схема обратной связи контролирует выходное напряжение и управляет работой инвертора для его стабилизации

Преимущества импульсных блоков питания

По сравнению с трансформаторными источниками питания, импульсные БП обладают рядом важных преимуществ:

Меньшие габариты и вес за счет работы на высокой частоте
Более высокий КПД (до 90-95%)
Лучшая стабилизация выходного напряжения
Возможность работы в широком диапазоне входных напряжений
Наличие встроенных защит от перегрузки и КЗ
Меньшая стоимость при массовом производстве

Эти преимущества обусловили практически полное вытеснение трансформаторных БП импульсными источниками питания в современной электронной аппаратуре.

Особенности работы высокочастотного преобразователя

Ключевым узлом импульсного блока питания является высокочастотный преобразователь (инвертор). Он преобразует постоянное напряжение в переменное высокой частоты. Как правило, используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ).

Принцип работы ШИМ-преобразователя:

Генератор формирует пилообразное напряжение опорной частоты
Это напряжение сравнивается компаратором с управляющим сигналом
На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы, ширина которых зависит от управляющего напряжения
Эти импульсы управляют силовыми ключами инвертора

Изменяя ширину импульсов, можно регулировать выходное напряжение блока питания. Это позволяет эффективно стабилизировать напряжение при изменении нагрузки или входного напряжения.

Импульсный трансформатор и его особенности

Важным элементом ИБП является импульсный трансформатор. Он существенно отличается от обычных сетевых трансформаторов:

Работает на высокой частоте (десятки-сотни кГц)
Имеет ферритовый сердечник вместо стального
Обладает значительно меньшими габаритами и весом
Требует меньшего числа витков обмоток

Импульсный трансформатор обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом блока питания, а также позволяет получить требуемое выходное напряжение.

Схема обратной связи и стабилизация напряжения

Для обеспечения стабильного выходного напряжения в ИБП используется отрицательная обратная связь. Как это работает:

Выходное напряжение измеряется и сравнивается с опорным
Сигнал рассогласования усиливается
Усиленный сигнал управляет работой ШИМ-контроллера
ШИМ-контроллер изменяет ширину управляющих импульсов
Это приводит к изменению выходного напряжения в нужную сторону

Такая схема позволяет поддерживать стабильное выходное напряжение при изменении нагрузки или входного напряжения в широких пределах.

Недостатки импульсных блоков питания

Несмотря на множество преимуществ, импульсные БП имеют и некоторые недостатки:

Генерация высокочастотных помех, требующих дополнительной фильтрации
Более сложная схемотехника по сравнению с линейными БП
Возможность возникновения нестабильности при малых нагрузках
Меньшая надежность из-за большего количества компонентов
Сложность ремонта из-за использования специализированных микросхем

Однако в большинстве применений преимущества импульсных БП значительно перевешивают их недостатки.

Области применения импульсных источников питания

Благодаря своим преимуществам, импульсные блоки питания нашли широкое применение в различных областях:

Компьютерная и офисная техника (системные блоки, мониторы, принтеры)
Бытовая электроника (телевизоры, аудиосистемы, игровые приставки)
Зарядные устройства для мобильных телефонов и ноутбуков
Промышленная автоматика и измерительная техника
Светодиодные драйверы и системы освещения
Источники бесперебойного питания

Практически любое современное электронное устройство, требующее преобразования сетевого напряжения, использует импульсный блок питания.

Перспективы развития технологии импульсных БП

Технология импульсных источников питания продолжает развиваться. Основные направления совершенствования:

Повышение рабочей частоты для дальнейшей миниатюризации
Улучшение электромагнитной совместимости
Повышение КПД, особенно при малых нагрузках
Интеграция силовых компонентов и схем управления
Применение новых магнитных материалов

Развитие цифровых методов управления

Эти усовершенствования позволят создавать еще более эффективные, компактные и надежные источники питания для электронной аппаратуры будущего.

Принцип работы импульсного источника питания

Импульсные источники питания — общие принципы, преимущества и недостатки

Сегодня уже трудно в каком-нибудь бытовом приборе или блоке питания обнаружить трансформатор на железе. В 90-е годы они начали быстро уходить в прошлое, уступая место импульсным преобразователям или импульсным источникам питания (сокращенно ИИП).

Импульсные источники питания превосходят трансформаторные по габаритам, качеству получаемого постоянного напряжения, они имеют широкие возможности регулировки выходного напряжения и тока, а также традиционно оснащены защитой от перегрузки по выходному току. И хотя считается, что импульсные блоки питания являются основными поставщиками помех в бытовую сеть, тем не менее широкое их распространение вспять уже точно не повернуть.

Трансформаторный источник питания:

Импульсный источник питания:

Своей повсеместной распространенностью импульсные блоки питания обязаны полупроводниковым ключам — полевым транзисторам и диодам Шоттки. Именно полевой транзистор, работающий совместно с дросселем или трансформатором, является сердцем любого современного импульсного источника питания: в инверторах, сварочных аппаратах, источниках бесперебойного питания, во встроенных блоках питания телевизоров, мониторов и т. д. — нынче практически везде используются только импульсные схемы преобразования напряжения.

Общий принцип функционирования импульсного преобразователя основан на законе электромагнитной индукции, и в этом он сходен с любым трансформатором. Разница лишь в том, что на обычный сетевой трансформатор переменное напряжение с частотой сети 50 Гц подается сразу на первичную обмотку и преобразуется непосредственно, (после чего, если нужно, выпрямляется) а в импульсном блоке питания сетевое напряжение сначала выпрямляется и превращается в постоянное, и уже после — преобразуется в импульсное, с тем чтобы далее быть повышенным либо пониженным при помощи специальной высокочастотной (по сравнению с сетевыми 50 герцами) схемы.

Схема импульсного источника питания включает в себя несколько главных составных частей: сетевой выпрямитель, ключ (или ключи), трансформатор (или дроссель), выходной выпрямитель, блок управления, а также блок стабилизации и защиты. Выпрямитель, ключ и трансформатор (дроссель) — основа силовой части схемы ИИП, в то время как электронные блоки (включая ШИМ-контроллер) относятся к так называемому драйверу.

Итак, сетевое напряжение подается через выпрямитель на конденсатор сетевого фильтра, где таким образом получается постоянное напряжение, максимум которого составляет от 305 до 340 вольт, в зависимости от текущего среднего значения напряжения в сети (от 215 до 240 вольт).

Выпрямленное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора (дросселя) в форме импульсов, частота следования которых определяется обычно схемой управления ключом, а длительность — средним током питаемой нагрузки.

Ключ с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц подключает и отключает первичную обмотку трансформатора или дросселя к конденсатору фильтра, перемагничивая таким образом сердечник трансформатора или дросселя.

Различие между трансформатором и дросселем: в дросселе фазы накопления энергии от источника сердечником и отдачи энергии из сердечника через обмотку — в нагрузку, разделены во времени, а в трансформаторе это происходит одновременно.

Дроссель применяется в преобразователях без гальванической развязки топологий: повышающий — boost, понижающий — buck, а также в преобразователях с гальванической развязкой топологии обратноходовый — flyback. Трансформатор применяется в преобразователях с гальванической развязкой следующих топологий: мост — full-bridge, полумост — half-bridge, двухтактный — push-pull, прямоходовой — forward.

Ключ может быть одиночным (обратноходовый преобразователь, прямоходовый преобразователь, повышающий или понижающий преобразователь без гальванической развязки) или же силовая часть может включать в себя несколько ключей (полумост, мост, двухтактный).

Схема управления ключом (ключами) получает с выхода источника сигнал обратной связи по напряжению или по напряжению и току нагрузки, в соответствии с величиной этого сигнала автоматически осуществляется регулировка ширины (скважности) импульса, управляющего длительностью проводящего состояния ключа.

Выход источника устроен следующим образом. Со вторичной обмотки трансформатора или дросселя, либо с единственной обмотки дросселя (если речь идет о преобразователе без гальванической развязки), импульсное напряжение подается через диоды Шоттки двухполупериодного выпрямителя — на конденсатор фильтра.

Здесь же находится делитель напряжения с которого берется сигнал обратной связи по напряжению, а также может присутствовать датчик тока. К конденсатору фильтра, через дополнительный выходной НЧ-фильтр или напрямую, присоединяется нагрузка.

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

со средней точкой.

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

частотно-импульсным;
фазо-импульсным;
широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U_РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
внешние блоки питания;
электронный балласт для осветительных приборов;
БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 – KT872A.
Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Импульсный блок питания служит для преобразования входного напряжения до величины, необходимой внутренним элементам устройства. Иное название импульсных источников, получившее широкое распространение, — инверторы.

Что это такое?

Инвертор — это вторичный источник питания, который использует двойное преобразование входного переменного напряжения. Величина выходных параметров регулируется путем изменения длительности (ширины) импульсов и, в некоторых случаях, частоты их следования. Такой вид модуляции называется широтно-импульсным.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты. Этим он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов. Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока. То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

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

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.

Схема БП

В схему самой распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

сетевой помехоподавляющий фильтр;
выпрямитель;
сглаживающий фильтр;
широтно-импульсный преобразователь;
ключевые транзисторы;
выходной высокочастотный трансформатор;
выходные выпрямители;
выходные индивидуальные и групповые фильтры.

Назначение помехоподавляющего фильтра состоит в задерживании помех от работы устройства в питающую сеть. Коммутация мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком спектре частот. Поэтому здесь необходимо в качестве проходных конденсаторов фильтрующих звеньев использовать разработанные специально для этой цели элементы.

Выпрямитель служит для преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а установленный следом сглаживающий фильтр устраняет пульсации выпрямленного напряжения.

В том случае когда используется преобразователь постоянного напряжения, выпрямитель и фильтр становятся ненужными, и входной сигнал, пройдя цепи помехоподавляющего фильтра, подается непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ является самой сложной частью схемы импульсного источника питания. В его задачу входят:

генерация высокочастотных импульсов;
контроль выходных параметров блока и коррекция импульсной последовательности в соответствии с сигналом обратной связи;
контроль и защита от перегрузок.

Сигнал с ШИМ подается на управляющие выводы мощных ключевых транзисторов, включенных по мостовой или полумостовой схеме. Силовые выводы транзисторов нагружены на первичную обмотку выходного трансформатора высокой частоты. Вместо традиционных биполярных транзисторов используются IGBT- или MOSFET-транзисторы, которые отличаются малым падением напряжения на переходах и высоким быстродействием. Улучшенные параметры транзисторов способствуют уменьшению рассеиваемой мощности при одинаковых габаритах и технических параметрах конструкции.

Импульсный блок питания

Для обычного человека, не вникающего в электронику, был незаметен переход всех питающих устройств с линейных на импульсные. Именно импульсные источники (ИИП) питания устанавливаются во всей современной аппаратуре. Основная причина перехода на такой тип преобразователей напряжения — это уменьшение габаритов. Так как всё время, с начала появления и изобретения, электронные приборы требуют постоянного уменьшения их размеров. На рисунке изображен для сравнения габариты обычного и импульсного источника постоянного тока. Не вооруженным глазом видны различия в размерах.

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:

выпрямителя сетевого напряжения;
генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
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.

Обратноходовой импульсный источник питания

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:

Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
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.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

Значительное снижение габаритов и массы устройств;
Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
Нежелательная работа их без нагрузки;
Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники. Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться. ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Видео о работе импульсного источника питания

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

Конструктивные особенности и принцип работы

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

частотно-импульсным;
фазо-импульсным;
широтно-импульсным.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Сфера применения

различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
внешние блоки питания;
электронный балласт для осветительных приборов;
БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
Транзистор VT1 – KT872A.
Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
Предохранитель FU1 – 0.25А.

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1.

Принцип работы импульсного блока питания

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

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

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

Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).
Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.
Узел управления. Является «мозгом» блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).
Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).
Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

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

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

О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

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

Сетевой фильтр и выпрямитель.

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

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

Как говорится: «No comment «.

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

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

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

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

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

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

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

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

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

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

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

Главная &raquo Мастерская &raquo Текущая страница

Принципиальная схема импульсного блока питания ЗУСЦТ, принцип работы

Материал данной статьи предназначен не только для владельцев уже раритетных телевизоров, желающих восстановить их работоспособность, но и для тех, кто хочет разобраться со схемотехникой, устройством и принципом работы импульсных блоков питания. Если усвоить материал данной статьи, то без труда можно будет разобраться с любой схемой и принципом работы импульсных блоков питания для бытовой техники, будь то телевизор, ноутбук или офисная техника. И так приступим…

В телевизорах советского производства, третьего поколения ЗУСЦТ применялись импульсные блоки питания — МП (модуль питания).

Импульсные блоки питания в зависимости от модели телевизора, где они использовались, разделялись на три модификации — МП-1, МП-2 и МП-3-3. Модули питания собраны по одинаковой электрической схеме и различаются только типом импульсного трансформатора и номиналом напряжения конденсатора С27 на выходе фильтра выпрямителя (см. принципиальную схему).

Функциональная схема и принцип работы импульсного блока питания телевизора ЗУСЦТ

Рис. 1. Функциональная схема импульсного блока питания телевизора ЗУСЦТ:

1 — сетевой выпрямитель; 2 — формирователь импульсов запуска; 3 — транзистор импульсного генератора, 4 — каскад управления; 5 — устройство стабилизации; 6 — устройство защиты; 7 — импульсный трансформатор блока питания телевизоров 3усцт; 8 — выпрямитель; 9 — нагрузка

Пусть в начальный момент времени в устройстве 2 будет сформирован импульс, который откроет транзистор импульсного генератора 3. При этом через обмотку импульсного трансформатора с выводами 19, 1 начнет протекать линейно нарастающий пилообразный ток. Одновременно в магнитном поле сердечника трансформатора будет накапливаться энергия, значение которой определяется временем открытого состояния транзистора импульсного генератора. Вторичная обмотка (выводы 6, 12) импульсного трансформатора намотана и подключена таким образом, что в период накопления магнитной энергии к аноду диода VD приложен отрицательный потенциал и он закрыт. Спустя некоторое время каскад управления 4 закрывает транзистор импульсного генератора. Так как ток в обмотке трансформатора 7 из-за накопленной магнитной энергии не может мгновенно измениться, возникает ЭДС самоиндукции обратного знака. Диод VD открывается, и ток вторичной обмотки (выводы 6, 12) резко возрастает. Таким образом, если в начальный период времени магнитное поле было связано с током, который протекал через обмотку 1, 19, то теперь оно создается током обмотки 6, 12. Когда вся энергия, накопленная за время замкнутого состояния ключа 3, перейдет в нагрузку, то во вторичной обмотке достигнет нулевого значения.

Из приведенного примера можно сделать вывод, что, регулируя длительность открытого состояния транзистора в импульсном генераторе, можно управлять количеством энергии, которое поступает в нагрузку. Такая регулировка осуществляется с помощью каскада управления 4 по сигналу обратной связи — напряжению на выводах обмотки 7, 13 импульсного трансформатора. Сигнал обратной связи на выводах этой обмотки пропорционален напряжению на нагрузке 9.

Если напряжение на нагрузке по каким-либо причинам уменьшится, то уменьшится и напряжение, которое поступает в устройство стабилизации 5. В свою очередь, устройство стабилизации через каскад управления начнет закрывать транзистор импульсного генератора позже. Это увеличит время, в течение которого через обмотку 1, 19 будет течь ток, и соответственно возрастет количество энергии, передаваемой в нагрузку.

Момент очередного открывания транзистора 3 определяется устройством стабилизации, где анализируется сигнал, поступающий с обмотки 13, 7, что позволяет автоматически поддерживать среднее значение выходного постоянного напряжения.

Применение импульсного трансформатора дает возможность получить различные по амплитуде напряжения в обмотках и устраняет гальваническую связь между цепями вторичных выпрямленных напряжений и питающей электрической сетью. Каскад управления 4 определяет размах импульсов, создаваемых генератором, и при необходимости отключает его. Отключение генератора осуществляется при уменьшении напряжения сети ниже 150 В и понижении потребляемой мощности до 20 Вт, когда каскад стабилизации перестает функционировать. При неработающем каскаде стабилизации, импульсный генератор оказывается неуправляемым, что может привести к возникновению в нем больших импульсов тока и к выходу из строя транзистора импульсного генератора.

Принципиальная схема импульсного блока питания телевизора ЗУСЦТ

Рассмотрим принципиальную схему модуля питания МП-3-3 и принцип ее работы.

Рис. 2 Принципиальная схема импульсного блока питания телевизора ЗУСЦТ, модуль МП-3-3

Открыть схему блока питания телевизора ЗУСЦТ с высоким разрешением >>>.

В ее состав входит низковольтный выпрямитель (диоды VD4 — VD7), формирователь импульсов запуска (VT3), импульсный генератор (VT4), устройство стабилизации (VT1), устройство защиты (VT2), импульсный трансформатор Т1 блока питания 3усцт и выпрямители на диодах VD12 — VD15 со стабилизатором напряжения (VT5 — VT7).

Импульсный генератор собран по схеме блокинг-генератора с коллекторно-базовыми связями на транзисторе VT4. При включении телевизора постоянное напряжение с выхода фильтра низковольтного выпрямителя (конденсаторов С16, С19 и С20) через обмотку 19, 1 трансформатора Т1 поступает на коллектор транзистора VT4. Одновременно сетевое напряжение с диода VD7 через конденсаторы С11, С10 и резистор R11 заряжает конденсатор С7, а также поступает на базу транзистора VT2, где оно используется в устройстве защиты модуля питания от пониженного напряжения сети. Когда напряжение на конденсаторе С7, приложенное между эмиттером и базой 1 однопереходного транзистора VT3, достигнет значения 3 В, транзистор VT3 откроется. Происходит разрядка конденсатора С7 по цепи: переход эмиттер-база 1 транзистора VT3, эмиттерный переход транзистора VT4, параллельно соединенные, резисторы R14 и R16, конденсатор С7.

Ток разрядки конденсатора С7 открывает транзистор VT4 на время 10 — 15 мкс, достаточное, чтобы ток в его коллекторной цепи возрос до 3…4 А. Протекание коллекторного тока транзистора VT4 через обмотку намагничивания 19, 1 сопровождается накоплением энергии в магнитном поле сердечника. После окончания разрядки конденсатора С7 транзистор VT4 закрывается. Прекращение коллекторного тока вызывает в катушках трансформатора Т1 появление ЭДС самоиндукции, которая создает на выводах 6, 8, 10, 5 и 7 трансформатора Т1 положительные напряжения. При этом через диоды одно-полупериодных выпрямителей во вторичных цепях (VD12 — VD15) протекает ток.

При положительном напряжении на выводах 5, 7 трансформатора Т1 происходит зарядка конденсаторов С14 и С6 соответственно в цепях анода и управляющего электрода тиристора VS1 и С2 в эмиттерно-базовой цепи транзистора VT1.

Конденсатор С6 заряжается по цепи: вывод 5 трансформатора Т1, диод VD11, резистор R19, конденсатор С6, диод VD9, вывод 3 трансформатора. Конденсатор С14 заряжается по цепи: вывод 5 трансформатора Т1, диод VD8, конденсатор С14, вывод 3 трансформатора. Конденсатор С2 заряжается по цепи: вывод 7 трансформатора Т1, резистор R13, диод VD2, конденсатор С2, вывод 13 трансформатора.

Аналогично осуществляются последующие включения и выключения транзистора VT4 блокинг-генератора. Причем нескольких таких вынужденных колебаний оказывается достаточным, чтобы зарядить конденсаторы во вторичных цепях. С окончанием зарядки этих конденсаторов между обмотками блокинг-генератора, подсоединенными к коллектору (выводы 1, 19) и к базе (выводы 3, 5) транзистора VT4, начинает действовать положительная обратная связь. При этом блокинг-генератор переходит в режим автоколебаний, при котором транзистор VT4 будет автоматически открываться и закрываться с определенной частотой.

В период открытого состояния транзистора VT4 его коллекторный ток протекает от плюса электролитического конденсатора С16 через обмотку трансформатора Т1 с выводами 19, 1, коллекторный и эмиттерный переходы транзистора VT4, параллельно включенные резисторы R14, R16 к минусу конденсатора С16. Из-за наличия в цепи индуктивности нарастание коллекторного тока происходит по пилообразному закону.

Для исключения возможности выхода из строя транзистора VT4 от перегрузки сопротивление резисторов R14 и R16 подобрано таким образом, что, когда ток коллектора достигает значения 3,5 А, на них создается падение напряжения, достаточное для открывания тиристора VS1. При открывании тиристора конденсатор С14 разряжается через эмиттерный переход транзистора VT4, соединенные параллельно резисторы R14 и R16, открытый тиристор VS1. Ток разрядки конденсатора С14 вычитается из тока базы транзистора VT4, что приводит к его преждевременному закрыванию.

Дальнейшие процессы в работе блокинг-генератора определяются состоянием тиристора VS1, более раннее или более позднее открывание которого позволяет регулировать время нарастания пилообразного тока и тем самым количество энергии, запасаемой в сердечнике трансформатора.

Модуль питания может работать в режиме стабилизации и короткого замыкания.

Режим стабилизации определяется работой УПТ (усилителя постоянного тока) собранного на транзисторе VT1 и тиристоре VS1.

При напряжении сети 220 Вольт, когда выходные напряжения вторичных источников питания достигнут номинальных значений, напряжение на обмотке трансформатора Т1 (выводы 7, 13) возрастает до значения, при котором постоянное напряжение на базе транзистора VT1, куда оно поступает через делитель Rl — R3, становится более отрицательным, чем на эмиттере, куда оно передается полностью. Транзистор VT1 открывается по цепи: вывод 7 трансформатора, R13, VD2, VD1, эмиттерный и коллекторный переходы транзистора VT1, R6, управляющий электрод тиристора VS1, R14, R16, вывод 13 трансформатора. Этот ток, суммируясь с начальным током управляющего электрода тиристора VS1, открывает его в тот момент, когда выходное напряжение модуля достигает номинальных значений, прекращая нарастание коллекторного тока.

Изменяя напряжение на базе транзистора VT1 подстроечным резистором R2, можно регулировать напряжение на резисторе R10 и, следовательно, изменять момент открывания тиристора VS1 и продолжительность открытого состояния транзистора VT4, тем самым устанавливать выходные напряжения блока питания.

При уменьшении нагрузки (либо увеличении напряжения сети) возрастает напряжение на выводах 7, 13 трансформатора Т1. При этом увеличивается отрицательное напряжение на базе по отношению к эмиттеру транзистора VT1, вызывая возрастание коллекторного тока и падение напряжения на резисторе R10. Это приводит к более раннему открыванию тиристора VS1 и закрыванию транзистора VT4. Тем самым уменьшается мощность, отдаваемая в нагрузку.

При понижении напряжения сети соответственно меньше становится напряжение на обмотке трансформатора Т1 и потенциал базы транзистора VT1 по отношению к эмиттеру. Теперь из-за уменьшения напряжения, создаваемого коллекторным током транзистора VT1 на резисторе R10, тиристор VS1 открывается в более позднее время и количество энергии, передаваемой во вторичные цепи, возрастает. Важную роль в защите транзистора VT4 играет каскад на транзисторе VT2. При уменьшении напряжения сети ниже 150 В напряжение на обмотке трансформатора Т1 с выводами 7, 13 оказывается недостаточным для открывания транзистора VT1. При этом устройство стабилизации и защиты не работает, транзистор VT4 становится неуправляемым и создается возможность выхода его из строя из-за превышения предельно допустимых значений напряжения, температуры, тока транзистора. Чтобы предотвратить выход из строя транзистора VT4, необходимо блокировать работу блокинг-генератора. Предназначенный для этой цели транзистор VT2 включен таким образом, что на его базу подается постоянное напряжение с делителя R18, R4, а на эмиттер пульсирующее напряжение частотой 50 Гц, амплитуда которого стабилизируется стабилитроном VD3. При уменьшении напряжения сети уменьшается напряжение на базе транзистора VT2. Так как напряжение на эмиттере стабилизировано, уменьшение напряжения на базе приводит к открыванию транзистора. Через открытый транзистор VT2 импульсы трапецеидальной формы с диода VD7 поступают на управляющий электрод тиристора, открывая его на время, определяемое длительностью трапецеидального импульса. Это приводит к прекращению работы блокинг-генератора.

Режим короткого замыкания возникает при наличии короткого замыкания в нагрузке вторичных источников питания. Запуск блока питания в этом случае производится запускающими импульсами от устройства запуска собранного на транзисторе VT3, а выключение — с помощью тиристора VS1 по максимальному току коллектора транзистора VT4. После окончания запускающего импульса устройство не возбуждается, поскольку вся энергия расходуется в короткозамкнутой цепи.

После снятия короткого замыкания модуль входит в режим стабилизации.

Выпрямители импульсных напряжений, подсоединенные ко вторичной обмотке трансформатора Т1, собраны по однополупериодной схеме.

Выпрямитель на диоде VD12 создает напряжение 130 В для питания схемы строчной развертки. Сглаживание пульсаций этого напряжения производится электролитическим конденсатором С27. Резистор R22 устраняет возможность значительного повышения напряжения на выходе выпрямителя при отключении нагрузки.

На диоде VD13 собран выпрямитель напряжения 28 В, предназначенный для питания кадровой развертки телевизора. Фильтрация напряжения обеспечивается конденсатором С28 и дросселем L2.

Выпрямитель напряжения 15 В для питания усилителя звуковой частоты собран на диоде VD15 и конденсаторе СЗО.

Напряжение 12 В, используемое в модуле цветности (МЦ), модуле радиоканала (МРК) и модуле кадровой развертки (МК), создается выпрямителем на диоде VD14 и конденсаторе С29. На выходе этого выпрямителя включен компенсационный стабилизатор напряжения собранного на транзисторах. В его состав входит регулирующий транзистор VT5, усилитель тока VT6 и управляющий транзистор VT7. Напряжение с выхода стабилизатора через делитель R26, R27 поступает на базу транзистора VT7. Переменный резистор R27 предназначен для установки выходного напряжения. В эмиттерной цепи транзистора VT7 напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с опорным напряжением на стабилитроне VD16. Напряжение с коллектора VT7 через усилитель на транзисторе VT6 поступает на базу транзистора VT5, включенного последовательно в цепь выпрямленного тока. Это приводит к изменению его внутреннего сопротивления, которое в зависимости от того, увеличилось или уменьшилось выходное напряжение, либо возрастает, либо понижается. Конденсатор С31 предохраняет стабилизатор от возбуждения. Через резистор R23 поступает напряжение на базу транзистора VT7, необходимое для его открывания при включении и восстановления после короткого замыкания. Дроссель L3 и конденсатор С32 — дополнительный фильтр на выходе стабилизатора.

Конденсаторы С22 — С26, шунтируют выпрямительные диоды для уменьшения помех, излучаемых импульсными выпрямителями в электрическую сеть.

Сетевой фильтр блока питания ЗУСЦТ

Плата фильтра питания ПФП подсоединена к электрической сети через соединитель Х17 (А12), выключатель S1 в блоке управления телевизором и сетевые предохранители FU1 и FU2.

В качестве сетевых предохранителей используются плавкие предохранители типа ВПТ-19, характеристики которых позволяют обеспечить значительно более надежную защиту телевизионных приемников при возникновении неисправностей, чем предохранители типа ПМ.

Назначение заградительного фильтра — воспрепятствовать проникновению в электрическую сеть импульсных помех, создаваемых источником питания для бытовой радиоаппаратуры.

На плате фильтра питания находятся элементы заградительного фильтра (C1, С2, СЗ, дроссель L1) (см. принципиальную схему).

Резистор R3 предназначен для ограничения тока выпрямительных диодов при включении телевизора. Позистор R1 и резистор R2 — элементы устройства размагничивания маски кинескопа.

При ремонте бытовой аппаратуры следует неукоснительно соблюдать правила техники безопасности.

схема. Замена адаптера. Принцип работы импульсного блока питания. Почему сетевой адаптер сгорел? Его устройство

Одна из самых распространенных проблем с телевизорами связана с неисправностью блока питания. Обычно его ремонт требуется в том случае, если любой из элементов платы выходит из строя, и, как правило, это отнюдь не самый трудоемкий и дорогой вид работ. Однако заниматься им могут только специалисты, поскольку любые некорректные действия с БП могут привести к серьезным поломкам в самых разных частях аппарата.

О том, что такое блок питания, для чего нужен, и как понять, что он неисправен, пойдет речь в нашей статье.

Что это такое?

В самом общем смысле блок питания представляет из себя источник электричества, который снабжает телевизор необходимым током. Этот модуль позволяет преобразовывать сетевое напряжение до значений, необходимых для полноценного функционирования техники. Как правило, БП включен в комплектацию антенн с усилителем для того, чтобы улучшать прием сигнала.

Блоки питания – универсальные приборы, они могут устанавливаться в других приспособлениях: для улучшения качества сигнала сотовой, спутниковой связи и даже интернета. БП незаменим в ситуации, когда используется Wi-Fi-адаптер, кстати, он также представляет из себя одну из разновидностей антенн. Проще говоря, везде, где используются радиоволны и имеется принимающая антенна, нужен блок питания.

Но мы рассмотрим только те его разновидности, которые требуются для бесперебойной работы телевизионной техники.

Обращаем внимание: актуальность установки и поддержания работоспособности БП прямо связана с тем, что в его отсутствие и починить его бывает очень затратно или даже невозможно.

Телевизионный блок питания выполняет три основные функции:

преобразование энергии подачи тока в аппаратуру;
защита от помех подпитывающего напряжения;
поддержание необходимого уровня напряжения внутри самого телевизора.

Наибольшее распространение получили современные системы, работающие от стандартных сетей в 220 Вт. Такие элементы бывают встроенными в единую конструкцию антенны либо располагающимися отдельно, когда подключение осуществляется через порт.

Если речь идет о встроенных моделях, то обычно применяется бестрансформаторная схема. В этом случае преобразование энергии осуществляется за счёт широтно-импульсной модуляции. Такие блоки питания включаются в самую обычную розетку, их рассчитанная мощность составляет 10 Вт. Этого параметра вполне достаточно для того, чтобы обеспечить питание антенны. Подобные элементы довольно компактны и не занимают много места, но в случае неисправности незамедлительно приводят к выводу из строя всей системы приема сигнала.

Поэтому бывает более практичным приобрести внешние устройства. Они ориентированы на то, что в случае выхода из строя БП некоторый сигнал всё же будет сохранён, хотя, безусловно, хорошим он не будет. В любом случае еще одно достоинство наружных блоков питания сводится к тому, что их можно быстро и просто заменить при необходимости.

Схема работы базируется на трансформаторе. При этом выходное напряжение БП стабилизируется параболическим образом, типовыми параметрами для выходного напряжения стали значения 24, а также 18, 12 и 5 Вт. Более точные цифры определяются в зависимости от технико-эксплуатационных параметров антенны.

Устройство и принцип работы

Чаще всего плата блока питания представляет собой отдельный электронный модуль. Это является отличительной чертой любого телевизора с небольшой диагональю экрана, а в более крупных моделях она встроена.

Любая плата блока питания имеет следующие составляющие:

трансформатор;
сетевой фильтр;
узлы рабочего и дежурного режима;
модуль предохранения от перегрузки;
радиаторы, то есть элементы охлаждения.

Принцип работы блока питания сводится к приведению подаваемого сетевого напряжения к тому виду, который будет удовлетворять требованиям энергоснабжения базовых электронных узлов телевизионной техники, в том числе и его матрицы.

Важно: величина и параметры питающих потенциалов должны в точности соответствовать как самим рабочим напряжениям, так и их эпюрам.

В большинстве случаев они указываются непосредственно на каждое предлагаемое устройство.

Как подключить?

Рассмотрим подробнее, как подсоединить БП. В большинстве случаев в активную антенну усилитель уже вмонтирован. А вот в пассивной – его нет. Чтобы его подключить, в первую очередь необходимо собрать антенный кабель со штекером, который будет предназначен для данных целей. Рассмотрим, как это сделать.

Сначала следует подготовить сам кабель, то есть зачистить его. Для этого острым канцелярским ножом либо скальпелем выполняют тонкий разрез по окружности на удалении 1,5 см от края кабеля. При выполнении этой работы очень важно быть аккуратным и постараться не повредить волоски экранированной оплётки, расположенной сразу под изоляционным слоем.

После того как эти действия будут выполнены, упомянутые волоски нужно осторожно отогнуть, а расположенный около них кусок фольги убрать.

Отступив от загнутого края оплетки примерно 5 мм, необходимо сделать ещё один срез по окружности. Он необходим для того, чтобы удалить внутренний изоляционный слой. После этого кабель, подготовленный к монтажу, следует просунуть под соответствующие крепежи в коробке БП и затянуть винтами.

Обращаем особое внимание на то, что когда подключается провод, его металлизированная оплетка непременно должна иметь контакт с залуженной площадкой, которая является обязательным элементом конструкции любого корпуса БП. Если этого не сделать, то питание на антенну попросту не будет поступать. Нужно учесть и тот факт, что кабельная оплетка ни в коем случае не должна соприкасаться с центральной жилой самого провода. Если это случится, то произойдет короткое замыкание, и индикатор работы модуля не будет функционировать.

Для сведения: при корректном подсоединении блока питания с самим антенным кабелем после выполнения всех необходимых настроек телевизор обычно показывает намного больше каналов, чем прежде.

Как проверить на исправность?

В общем виде наружная диагностика возможных неисправностей и поломок блока питания выглядит следующим образом.

Если внешний вид конденсаторов вызывает у вас хоть какие-то подозрения, то их необходимо сразу же снять и заменить.

Вы заметили перебои с работой дежурного режима – нужно сразу же проверить напряжение на управляемом стабилитроне. Если на выходе данного узла напряжение будет отсутствовать либо иметь слишком низкие значения, следовательно, режим работы нарушен.

Для того чтобы восстановить функциональность элемента, необходимо удостовериться в работоспособности всех остальных деталей схемы. Для этого следует выпаять один контакт подозрительного конденсатора либо резистора, все сгоревшие элементы удалить полностью и сразу же заменить новыми. Если вы увидите участок некачественной пайки – это место нужно залудить с флюсом, а после удостовериться в том, что контакты прочно зафиксированы в зоне крепления.

О восстановлении работоспособности схемы БП и возвращении дежурного режима укажут появление напряжение в 5 В, а также мигание красного светового индикатора на лицевой панели телевизора.

Обращаем внимание на то, что при каждой замене остальных подозрительных элементов необходимо сразу же выполнять проверку – произошли ли изменения на выходе блока питания.

О том, что функциональность оборудования возвращена, можно судить по нормальному включению телевизора и поступлению качественного аудио- и видеоряда.

Возможные неисправности и их причины

О том, что блоку управления телевизором необходим ремонт, могут указать следующие признаки:

телевизор не включается при нажатии кнопки, при этом светодиодная индикация-лампочка на корпусе не загорается;
лампочка загорается, но техника не запускается;
изображение идёт с большим отрывом от звука;
возникают значительные помехи – возможны изломы и полосы на экране;
искажение звука – телевизор пищит, тарахтит, издает другие шумы.

Все перечисленные неисправности БП могут быть вызваны несколькими причинами, среди которых выделяют:

устройство уходит в защиту вследствие короткого замыкания, которое привело к перегоранию БП или отдельных его компонентов;
нестабильная подача напряжения в сети;
перегорание предохранителя;
полный или частичный износ конденсаторов.

Чтобы запустить телевизор и получить полноценное качественное изображение, попробуйте несколько раз повторить включение и выключение агрегата.

Обращаем особое внимание на то, что любые самостоятельные попытки починки телевизора, как правило, приводят только к усугублению проблем с электронными элементами системы или даже полному выходу их из строя. Любые неправильные действия влекут за собой необходимость замены телевизионной материнской платы, стоимость которой доходит до 70% стоимости всего агрегата.

Все элементы сложного электронного оборудования необходимо ремонтировать с точным соблюдением всех правил техники безопасности, в частности, следует предварительно разрядить входные конденсаторы. Не имея специального опыта подобных работ и знаний, вы можете причинить вред не только самому телевизору, но и своему здоровью.

О том, каков принцип работы у блока питания для телевизора, смотрите в следующем видео.

Принцип работы компьютерного блока питания

Статья написана на основе книги А.В.Головкова и В.Б Любицкого»БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT» Материал взят с сайта интерлавка. Переменное напряжение сети подается через сетевой выключатель PWR SW через сетевой предохранитель F101 4А, помехоподавляющие фильтры, образованные элементами С101, R101, L101, С104, С103, С102 и дроссели И 02, L103 на:
• выходной трехконтактный разъем, к которому может подстыковываться кабель питания дисплея;
• двухконтактный разъем JP1, ответная часть которого находится на плате.
С разъема JP1 переменное напряжение сети поступает на:
• мостовую схему выпрямления BR1 через терморезистор THR1;
• первичную обмотку пускового трансформатора Т1.

На выходе выпрямителя BR1 включены сглаживающие емкости фильтра С1, С2. Терморезистор THR ограничивает начальный бросок зарядного тока этих конденсаторов. Переключатель 115V/230V SW обеспечивает возможность питания импульсного блока питания как от сети 220-240В, так и от сети 110/127 В.

Высокооомные резисторы R1, R2, шунтирующие конденсаторы С1, С2 являются симметрирующими (выравнивают напряжения на С1 и С2), а также обеспечивают разрядку этих конденсаторов после выключения импульсного блока питания из сети. Результатом работы входных цепей является появление на шине выпрямленного напряжения сети постоянного напряжения Uep, равного +310В, с некоторыми пульсациями. В данном импульсном блоке питания используется схема запуска с принудительным (внешним) возбуждением, которая реализована на специальном пусковом трансформаторе Т1, на вторичной обмотке которого после включения блока питания в сеть появляется переменное напряжение с частотой питающей сети. Это напряжение выпрямляется диодами D25, D26, которые образуют со вторичной обмоткой Т1 двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. СЗО — сглаживающая емкость фильтра, на которой образуется постоянное напряжение, используемое для питания управляющей микросхемы U4.

В качестве управляющей микросхемы в данном импульсном блоке питания традиционно используется ИМС TL494.

Питающее напряжение с конденсатора СЗО подается на вывод 12 U4. В результате на выводе 14 U4 появляется выходное напряжение внутреннего опорного источника Uref=-5B, запускается внутренний генератор пилообразного напряжения микросхемы, а на выводах 8 и 11 появляются управляющие напряжения, которые представляют собой последовательности прямоугольных импульсов с отрицательными передними фронтами, сдвинутые друг относительно друга на половину периода. Элементы С29, R50, подключенные к выводам 5 и 6 микросхемы U4 определяют частоту пилообразного напряжения, вырабатываемого внутренним генератором микросхемы.

Согласующий каскад в данном импульсном блоке питания выполнен по бестранзисторной схеме с раздельным управлением. Напряжение питания с конденсатора СЗО подается в средние точки первичных обмоток управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Выходные транзисторы ИМС U4 выполняют функции транзисторов согласующего каскада и включены по схеме с ОЭ. Эмиттеры обоих транзисторов (выводы 9 и 10 микросхемы) подключены к «корпусу». Коллекторными нагрузками этих транзисторов являются первичные полуобмотки управляющих трансформаторов Т2, ТЗ, подключенные к выводам 8, 11 микросхемы U4 (открытые коллекторы выходных транзисторов). Другие половины первичных обмоток Т2, ТЗ с подключенными к ним диодами D22, D23 образуют цепи размагничивания сердечников этих трансформаторов.

Трансформаторы Т2, ТЗ управляют мощными транзисторами полумостового инвертора.

Переключения выходных транзисторов микросхемы вызывают появление импульсных управляющих ЭДС на вторичных обмотках управляющих трансформаторов Т2, ТЗ. Под действием этих ЭДС силовые транзисторы Q1, Q2 попеременно открываются с регулируемыми паузами («мертвыми зонами»). Поэтому через первичную обмотку силового импульсного трансформатора Т5 протекает переменный ток в виде пилообразных токовых импульсов. Это объясняется тем, что первичная обмотка Т5 включена в диагональ электрического моста, одно плечо которого образовано транзисторами Q1, Q2, а другое — конденсаторами С1, С2. Поэтому при открывании какого-либо из транзисторов Q1, Q2 первичная обмотка Т5 оказывается подключена к одному из конденсаторов С1 или С2, что и обуславливает протекание через нее тока в течение всего времени, пока открыт транзистор.
Демпферные диоды D1, D2 обеспечивают возврат энергии, запасенной в индуктивности рассеяния первичной обмотки Т5 за время закрытого состояния транзисторов Q1, Q2 обратно в источник (рекуперация).

Цепочка С4, R7, шунтирующая первичную обмотку Т5, способствует подавлению высокочастотных паразитных колебательных процессов, которые возникают в контуре, образованном индуктивностью первичной обмотки Т5 и ее меж-витковой емкостью, при закрываниях транзисторов Q1, Q2, когда ток через первичную обмотку резко прекращается.

Конденсатор СЗ, включенный последовательно с первичной обмоткой Т5, ликвидирует постоянную составляющую тока через первичную обмотку Т5, исключая тем самым нежелательное подмагничивание его сердечника.

Резисторы R3, R4 и R5, R6 образуют базовые делители для мощных транзисторов Q1, Q2 соответственно и обеспечивают оптимальный режим их переключения с точки зрения динамических потерь мощности на этих транзисторах.

Протекание переменного тока через первичную обмотку Т5 обуславливает наличие знакопеременных прямоугольных импульсных ЭДС на вторичных обмотках этого трансформатора.
Силовой трансформатор Т5 имеет три вторичные обмотки, каждая из которых имеет вывод от средней точки.
Обмотка IV обеспечивает получение выходного напряжения +5В. Диодная сборка SD2 (полумост) образует с обмоткой IV двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой (средняя точка обмотки IV заземлена).
Элементы L2, СЮ, С11, С12 образуют сглаживающий фильтр в канале +5В.
Для подавления паразитных высокочастотных колебательных процессов, возникающих при коммутациях диодов сборки SD2, эти диоды за-шунтированы успокаивающими RC-цепочками С8, R10nC9, R11.

Диоды сборки SD2 представляют собой диоды с барьером Шоттки, чем достигается необходимое быстродействие и повышается КПД выпрямителя.

Обмотка III совместно с обмоткой IV обеспечивает получение выходного напряжения +12В вместе с диодной сборкой (полумостом) SD1. Эта сборка образует с обмоткой III двухполупериодную схему выпрямления со средней точкой. Однако средняя точка обмотки III не заземлена, а подключена к шине выходного напряжения +5В. Это даст возможность использовать диоды Шоттки в канале выработки +12В, т.к. обратное напряжение, прикладываемое к диодам выпрямителя при таком включении, уменьшается до допустимого для диодов Шоттки уровня.

Элементы L1, С6, С7 образуют сглаживающий фильтр в канале +12В.

Резисторы R9, R12 предназначены для ускорения разрядки выходных конденсаторов шин +5В и +12В после выключения ИБП из сети.
RC-цепочка С5, R8 предназначена для подавления колебательных процессов, возникающих в паразитном контуре, образованном индуктивностью обмотки III и ее межвитковой емкостью.
Обмотка И с пятью отводами обеспечивает получение отрицательных выходных напряжений -5В и-12В.
Два дискретных диода D3, D4 образуют полумост двухполупериодного выпрямления в канале выработки -12В, а диоды D5, D6 — в канале -5В.
Элементы L3, С14 и L2, С12 образуют сглаживающие фильтры для этих каналов.
Обмотка II, также как и обмотка III, зашунтиро-вана успокоительной RC-цепочкой R13, С13.

Средняя точка обмотки II заземлена.

Стабилизация выходных напряжений осуществляются разными способами в разных каналах.
Отрицательные выходные напряжения -5В и -12В стабилизируются при помощи линейных интегральных трехвыводных стабилизаторов U4 (типа 7905) и U2 (типа 7912).
Для этого на входы этих стабилизаторов подаются выходные напряжения выпрямителей с конденсаторов С14, С15. На выходных конденсаторах С16, С17 получаются стабилизированные выходные напряжения -12В и -5В.
Диоды D7, D9 обеспечивают разрядку выходных конденсаторов С16, С17 через резисторы R14, R15 после выключения импульсного блока питания из сети. Иначе эти конденсаторы разряжались бы через схему стабилизаторов, что нежелательно.
Через резисторы R14, R15 разряжаются и конденсаторы С14, С15.

Диоды D5, D10 выполняют защитную функцию в случае пробоя выпрямительных диодов.

Если хотя бы один из этих диодов (D3, D4, D5 или D6) окажется «пробитым», то в отсутствие диодов D5, D10 ко входу интегрального стабилизатора U1 (или U2) прикладывалось бы положительное импульсное напряжение, а через электролитические конденсаторы С14 или С15 протекал бы переменный ток, что привело бы к выходу их из строя.
Наличие диодов D5, D10 в этом случае устраняет возможность возникновения такой ситуации, т.к. ток замыкается через них.
Например, в случае, если «пробит» диод D3, положительная часть периода, когда D3 должен быть закрыт, ток замкнется по цепи: к-а D3 — L3 -D7- D5- «корпус».
Стабилизация выходного напряжения +5В осуществляется методом ШИМ. Для этого к шине выходного напряжения +5В подключен измерительный резистивный делитель R51, R52. Сигнал, пропорциональный уровню выходного напряжения в канале +5В, снимается с резистора R51 и подается на инвертирующий вход усилителя ошибки DA3 (вывод 1 управляющей микросхемы). На прямой вход этого усилителя (вывод 2) подается опорный уровень напряжения, снимаемый с резистора R48, входящего в делитель VR1, R49, R48, который подключен к выходу внутреннего опорного источника микросхемы U4 Uref=+5B. При изменениях уровня напряжения на шине +5В под воздействием различных дестабилизирующих факторов происходит изменение величины рассогласования (ошибки) между опорным и контролируемым уровнями напряжения на входах усилителя ошибки DA3. В результате ширина (длительность) управляющих импульсов на выводах 8 и 11 микросхемы U4 изменяется таким образом, чтобы вернуть отклонившееся выходное напряжение +5В к номинальному значению (при уменьшении напряжения на шине +5В ширина управляющих импульсов увеличивается, а при увеличении этого напряжения -уменьшается).
Устойчивая (без возникновения паразитной генерации) работа всей петли регулирования обеспечивается за счет цепочки частотно-зависимой отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель ошибки DA3. Эта цепочка включается
между выводами 3 и 2 управляющей микросхемы U4 (R47, С27).

Выходное напряжение +12В в данном ИБП не стабилизируется.

Регулировка уровня выходных напряжений в данном ИБП производится только для каналов +5В и +12В. Эта регулировка осуществляется за счет изменения уровня опорного напряжения на прямом входе усилителя ошибки DA3 при помощи подстроечного резистора VR1.
При изменении положения движка VR1 в процессе настройки ИБП будет изменяться в некоторых пределах уровень напряжения на шине +5В, а значит и на шине +12В, т.к. напряжение с шины +5В подается в среднюю точку обмотки III.

Комбинированная зашита данного ИБП включает в себя:

• ограничивающую схему контроля ширины управляющих импульсов;
• полную схему защиты от КЗ в нагрузках;
• неполную схему контроля выходного перенапряжения (только на шине +5В).

Рассмотрим каждую из этих схем.

Ограничивающая схема контроля использует в качестве датчика трансформатор тока Т4, первичная обмотка которого включена последовательно с первичной обмоткой силового импульсного трансформатора Т5.
Резистор R42 является нагрузкой вторичной обмотки Т4, а диоды D20, D21 образуют двухпо-лупериодную схему выпрямления знакопеременного импульсного напряжения, снимаемого с нагрузки R42.

Резисторы R59, R51 образуют делитель. Часть напряжения сглаживается конденсатором С25. Уровень напряжения на этом конденсаторе пропорционально зависит от ширины управляющих импульсов на базах силовых транзисторов Q1, Q2. Этот уровень через резистор R44 подается на инвертирующий вход усилителя ошибки DA4 (вывод 15 микросхемы U4). Прямой вход этого усилителя (вывод 16) заземлен. Диоды D20, D21 включены так, что конденсатор С25 при протекании тока через эти диоды заряжается до отрицательного (относительно общего провода) напряжения.

В нормальном режиме работы, когда ширина управляющих импульсов не выходит за допустимые пределы, потенциал вывода 15 положителен, благодаря связи этого вывода через резистор R45 с шиной Uref. При чрезмерном увеличении ширины управляющих импульсов по какой-либо причине, отрицательное напряжение на конденсаторе С25 возрастает, и потенциал вывода 15 становится отрицательным. Это приводит к появлению выходного напряжения усилителя ошибки DA4, которое до этого было равно 0В. Дальнейший рост ширины управляющих импульсов приводит к тому, что управление переключениями ШИМ-ком-паратора DA2 передается к усилителю DA4, и последующего за этим увеличения ширины управляющих импульсов уже не происходит (режим ограничения), т.к. ширина этих импульсов перестает зависеть от уровня сигнала обратной связи на прямом входе усилителя ошибки DA3.

Схема защиты от КЗ в нагрузках условно может быть разделена на защиту каналов выработки положительных напряжений и защиту каналов выработки отрицательных напряжений, которые схемотехнически реализованы примерно одинаково.
Датчиком схемы защиты от КЗ в нагрузках каналов выработки положительных напряжений (+5В и +12В) является диодно-резистивный делитель D11, R17, подключенный между выходными шинами этих каналов. Уровень напряжения на аноде диода D11 является контролируемым сигналом. В нормальном режиме работы, когда напряжения на выходных шинах каналов +5В и +12В имеют номинальные величины, потенциал анода диода D11 составляет около +5,8В, т.к. через делитель-датчик протекает ток с шины +12В на шину +5В по цепи: шина +12В — R17- D11 — шина +56.

Контролируемый сигнал с анода D11 подается на резистивный делитель R18, R19. Часть этого напряжения снимается с резистора R19 и подается на прямой вход компаратора 1 микросхемы U3 типа LM339N. На инвертирующий вход этого компаратора подается опорный уровень напряжения с резистора R27 делителя R26, R27, подключенного к выходу опорного источника Uref=+5B управляющей микросхемы U4. Опорный уровень выбран таким, чтобы при нормальном режиме работы потенциал прямого входа компаратора 1 превышал бы потенциал инверсного входа. Тогда выходной транзистор компаратора 1 закрыт, и схема ИБП нормально функционирует в режиме ШИМ.

В случае КЗ в нагрузке канала +12В, например, потенциал анода диода D11 становится равным 0В, поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 1 станет выше, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора откроется. Это вызовет закрывание транзистора Q4, который нормально открыт током базы, протекающим по цепи: шина Upom — R39 — R36 -б-э Q4 — «корпус».

Открывание выходного транзистора компаратора 1 подключает резистор R39 к «корпусу», и поэтому транзистор Q4 пассивно закрывается нулевым смещением. Закрывание транзистора Q4 влечет за собой зарядку конденсатора С22, который выполняет функцию звена задержки срабатывания защиты. Задержка необходима из тех соображений, что в процессе выхода ИБП на режим, выходные напряжения на шинах +5В и +12В появляются не сразу, а по мере зарядки выходных конденсаторов большой емкости. Опорное же напряжение от источника Uref, напротив, появляется практически сразу же после включения ИБП в сеть. Поэтому в пусковом режиме компаратор 1 переключается, его выходной транзистор открывается, и если бы задерживающий конденсатор С22 отсутствовал, то это привело бы к срабатыванию защиты сразу при включении ИБП в сеть. Однако в схему включен С22, и срабатывание защиты происходит лишь после того как напряжение на нем достигнет уровня, определяемого номиналами резисторов R37, R58 делителя, подключенного к шине Upom и являющегося базовым для транзистора Q5. Когда это произойдет, транзистор Q5 открывается, и резистор R30 оказывается подключен через малое внутреннее сопротивление этого транзистора к «корпусу». Поэтому появляется путь для протекания тока базы транзистора Q6 по цепи: Uref — э-6 Q6 — R30 — к-э Q5 -«корпус».

Транзистор Q6 открывается этим током до насыщения, в результате чего напряжение Uref=5B, которым запитан по эмиттеру транзистор Q6, оказывается приложенным через его малое внутреннее сопротивление к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Это, как было показано ранее, ведет к останову работы цифрового тракта микросхемы, пропаданию выходных управляющих импульсов и прекращению переключении силовых транзисторов Q1, Q2, т.е. к защитному отключению. КЗ в нагрузке канала +5В приведет к тому, что потенциал анода диода D11 будет составлять всего около +0.8В. Поэтому выходной транзистор компаратора (1) окажется открыт, и произойдет защитное отключение.
Аналогичным образом построена защита от КЗ в нагрузках каналов выработки отрицательных напряжений (-5В и -12В) на компараторе 2 микросхемы U3. Элементы D12, R20 образуют диодно-резистивный делитель-датчик, подключаемый между выходными шинами каналов выработки отрицательных напряжений. Контролируемым сигналом является потенциал катода диода D12. При КЗ в нагрузке канала -5В или -12В, потенциал катода D12 повышается (от -5,8 до 0В при КЗ в нагрузке канала -12В и до -0,8В при КЗ в нагрузке канала -5В). В любом из этих случаев открывается нормально закрытый выходной транзистор компаратора 2, что и обуславливает срабатывание защиты по приведенному выше механизму. При этом опорный уровень с резистора R27 подается на прямой вход компаратора 2, а потенциал инвертирующего входа определяется номиналами резисторов R22, R21. Эти резисторы образуют двуполярно запитанный делитель (резистор R22 подключен к шине Uref=+5B, а резистор R21 — к катоду диода D12, потенциал которого в нормальном режиме работы ИБП, как уже отмечалось, составляет -5,8В). Поэтому потенциал инвертирующего входа компаратора 2 в нормальном режиме работы поддерживается меньшим, чем потенциал прямого входа, и выходной транзистор компаратора будет закрыт.

Защита от выходного перенапряжения на шине +5В реализована на элементах ZD1, D19, R38, С23. Стабилитрон ZD1 (с пробивным напряжением 5,1В) подключается к шине выходного напряжения +5В. Поэтому, пока напряжение на этой шине не превышает +5,1 В, стабилитрон закрыт, а также закрыт транзистор Q5. В случае увеличения напряжения на шине +5В выше +5,1В стабилитрон «пробивается», и в базу транзистора Q5 течет отпирающий ток, что приводит к открыванию транзистора Q6 и появлению напряжения Uref=+5B на выводе 4 управляющей микросхемы U4, т.е. к защитному отключению. Резистор R38 является балластным для стабилитрона ZD1. Конденсатор С23 предотвращает срабатывание защиты при случайных кратковременных выбросах напряжения на шине +5В (например, в результате установления напряжения после скачкообразного уменьшения тока нагрузки). Диод D19 является развязывающим.

Схема образования сигнала PG в данном импульсном блоке питания является двухфункциональной и собрана на компараторах (3) и (4) микросхемы U3 и транзисторе Q3.

Схема построена на принципе контроля наличия переменного низкочастотного напряжения на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1, которое действует на этой обмотке лишь при наличии питающего напряжения на первичной обмотке Т1, т.е. пока импульсный блок питания включен в питающую сеть.
Практически сразу после включения ИБП в питающую сеть появляется вспомогательное напряжение Upom на конденсаторе СЗО, которым запитывается управляющая микросхема U4 и вспомогательная микросхема U3. Кроме того, переменное напряжение со вторичной обмотки пускового трансформатора Т1 через диод D13 и то-коограничивающий резистор R23 заряжает конденсатор С19. Напряжением с С19 запитывается резистивный делитель R24, R25. С резистора R25 часть этого напряжения подается на прямой вход компаратора 3, что приводит к закрыванию его выходного транзистора. Появляющееся сразу вслед за этим выходное напряжение внутреннего опорного источника микросхемы U4 Uref=+5B за-питывает делитель R26, R27. Поэтому на инвертирующий вход компаратора 3 подается опорный уровень с резистора R27. Однако этот уровень выбран меньшим, чем уровень на прямом входе, и поэтому выходной транзистор компаратора 3 остается в закрытом состоянии. Поэтому начинается процесс зарядки задерживающей емкости С20 по цепи: Upom — R39 — R30 — С20 — «корпус».
Растущее по мере зарядки конденсатора С20 напряжение подается на инверсный вход 4 микросхемы U3. На прямой вход этого компаратора подается напряжение с резистора R32 делителя R31, R32, подключенного к шине Upom. Пока напряжение на заряжающемся конденсаторе С20 не превышает напряжения на резисторе R32, выходной транзистор компаратора 4 закрыт. Поэтому в базу транзистора Q3 протекает открывающий ток по цепи: Upom — R33 — R34 — 6-э Q3 — «корпус».
Транзистор Q3 открыт до насыщения, а сигнал PG, снимаемый с его коллектора, имеет пассивный низкий уровень и запрещает запуск процессора. За это время, в течение которого уровень напряжения на конденсаторе С20 достигает уровня на резисторе R32, импульсный блок питания успевает надежно выйти в номинальный режим работы, т.е. все его выходные напряжения появляются в полном объеме.
Как только напряжение на С20 превысит напряжение, снимаемое с R32, компаратор 4 переключится, него выход ной транзистор откроется.
Это повлечет за собой закрывание транзистора Q3, и сигнал PG, снимаемый с его коллекторной нагрузки R35, становится активным (Н-уровня) и разрешает запуск процессора.
При выключении импульсного блока питания из сети на вторичной обмотке пускового трансформатора Т1 переменное напряжение исчезает. Поэтому напряжение на конденсаторе С19 быстро уменьшается из-за малой емкости последнего (1 мкф). Как только падение напряжения на резисторе R25 станет меньше, чем на резисторе R27, компаратор 3 переключится, и его выходной транзистор откроется. Это повлечет за собой защитное отключение выходных напряжений управляющей микросхемы U4, т.к. откроется транзистор Q4. Кроме того, через открытый выходной транзистор компаратора 3 начнется процесс ускоренной разрядки конденсатора С20 по цепи: (+)С20 — R61 — D14 — к-э выходного транзистора компаратора 3 — «корпус».

Как только уровень напряжения на С20 станет меньше, чем уровень напряжения на R32, компаратор 4 переключится, и его выходной транзистор закроется. Это повлечет за собой открывание транзистора Q3 и переход сигнала PG в неактивный низкий уровень до того, как начнут недопустимо уменьшаться напряжения на выходных шинах ИБП. Это приведет к инициализации сигнала системного сброса компьютера и к исходному состоянию всей цифровой части компьютера.

Оба компаратора 3 и 4 схемы выработки сигнала PG охвачены положительными обратными связями с помощью резисторов R28 и R60 соответственно, что ускоряет их переключение.
Плавный выход на режим в данном ИБП традиционно обеспечивается при помощи формирующей цепочки С24, R41, подключенной к выводу 4 управляющей микросхемы U4. Остаточное напряжение на выводе 4, определяющее максимально возможную длительность выходных импульсов, задается делителем R49, R41.
Питание двигателя вентилятора осуществляется напряжением с конденсатора С14 в канале выработки напряжения -12В через дополнительный развязывающий Г-образный фильтр R16, С15.

Блок питания ATX, устройство и принцип работы. Часть 1.

Главные функции блока питания

Непосредственная задача компьютерного блока — правильно преобразовывать приходящий переменный ток 220 Вольт в три разных постоянных напряжения. Это поможет существенно снизить нагрузку на материнскую плату, а также её отдельные комплектующие. Кроме того, устройство способно стабилизировать периодические скачки нагрузки на видеокарту, а без него деталь запросто выйдет из строя.

Качественное приспособление способно наладить стабильность работы, поддерживая всегда одинаковое напряжение. В блоке питания установлен мощный вентилятор, который способствует оперативному охлаждению воздуха в камере системного блока ПК. От показателей питающего приспособления зависит, сможет ли компьютер справится с нагрузкой, которая зачастую оказывается на операционную систему вследствие загрузки всех деталей.

Внешний вид и размеры прибора никак не влияют на его работоспособность.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Правило №4: выпрямленный сигнал подвергается широтно-импульсной модуляции на силовом ключе под управлением ШИМ контроллера.

Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.

На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.

Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).

Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.

ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.

Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.

За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.

Устройство и принцип действия

Ваш компьютер тоже подключается напрямую к электросети? Зачастую это именно так, соответственно, устройство подвергается риску перегорания. Чтобы снизить эту вероятность до минимума целесообразно покупать качественный блок питания. Но для понимания главных целей этого механизма, целесообразно изучить его составляющие.

Входной фильтр. Это механизм, принимающий ток электрической сети с показателем 220 В и преобразующий его в оптимальный для операционной системы. На данном этапе происходит снижение пульсаций и устранение приходящих помех.
Импульсный трансформатор способствует разделению большой силы переменного тока на несколько небольших постоянных. Именно за счёт этого комплектующего напряжение 220 В снижается в разы.
Инвертор напряжения повышает сетевую частотность с 50 Гц до сотен кГц, что позволяет сохранить мощность и размер установки.
Дежурный трансформатор и контроллер, который управляет способностью блока питания запускаться автоматически при каждом включении компьютера.
Выпрямитель сигнала переменного тока предназначен для сглаживания пульсации.
Групповой стабилизатор. Такой механизм присутствует не во всех моделях БП (блоков питания), а только в более дорогих.
Сигнальные узлы запускают схему, контролирующую и пропускающую напряжение к материнской плате системного блока.
Встроенный вентилятор, диаметром 120 мм. Он способствует активному охлаждению всего блока.

Более подробное расположение деталей в компьютерном запитывающем устройстве смотрите на схеме в инструкции к приспособлению.

Модели, которые предусматривают возможность отключения жгутов от неработающих устройств, считаются одними из престижнейших среди аналогов. В эру флеш-накопителей практически никто не пользуется DWD-ромом, поэтому его разрешено отключить от питания.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Правило №3: после выхода с фильтра напряжение подается на схему выпрямителя, состоящего в базовой версии из диодного моста и электролитического конденсатора.

В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Разновидности блоков питания для компьютера

Практически каждый системный блок питания для ПК отличается своими конструктивными особенностями друг от друга. На данном этапе целесообразно выделить несколько видов и рассмотреть особенности их функционирования.

модульные механизмы — это устройства, которые дают возможность не запитывать детали системного блока, если они не используются;
механизмы с пассивным охлаждением. Такие устройства не имеют встроенного вентилятора, однако неплохо справляются со своими задачами. Данные варианты отличаются работой с низким уровнем шума;
полупассивные механизмы. Такие предусматривают наличие мощного и габаритного охлаждающего вентилятора, в дополнение к которому идёт управляющий контроллер.

Давайте разберёмся в некоторых технологических особенностях существующих механизмов. В производстве электропитающих блоков присутствует понятие форм-фактор. Это означает то, что некоторые детали механизма взаимозаменяемы. В случае если они выйдут из строя, можно использовать аналогичные, например, от другой модели.

Качественные и дорогостоящие модели блоков питания не создают лишнего шума и треска.

В декабре прошедшего года торговая марка Intel выпустила новую версию материнской платы, которая относится к семейству microATX. Для таких системных деталей предусматривается и индивидуально изготовленный блок питания типа Small Form Factor.

Критерии выбора блока питания для компьютера

Перед покупкой стоит подумать, какой из БП для ПК лучше приобрести, ведь некачественное устройство с поломкой конкретных деталей может «потянуть» за собой подключенные комплектующие самого системного блока. Это может стать причиной возгорания и, как следствие, выхода компьютера из строя. Поэтому давайте обратим внимание на это, чтобы не столкнуться с похожей проблемой.

Выбирайте модель блока питания с качественным корпусом и надёжными крепежами.

Учитывайте мощность и форм-фактор

В первую очередь пользователь без опыта должен обращать внимание на то, какой форм-фактор имеет блок питания. Важно, чтобы он помещался в системный блок ПК. Чтобы это выяснить, стоит отметить несколько разновидностей электропитающих приборов в зависимости от их размера:

ATX — такой вариант максимально подходит под стандартные системники, соответственно, подходит для использования на домашнем ПК;
SFX — этот вариант поместится в небольшие системные блоки, которые считаются усовершенствованными и выпускаются в наше время. Зачастую похожие варианты выбираются для детских компьютеров или офисных машин;
TFX — модель предназначена для дескоптных системников. Они имеют узкие размеры, соответственно, стандартный блок питания к ним не подходит;
FLEX — предназначена также для нестандартно малогабаритных системных блоков. Обычно в таких корпусах ниша под адаптер заужена, поэтому и устройство питания должно быть соответствующим.

Что можно сказать о мощности? В первую очередь её необходимо определить у системного блока. Для этого рекомендуется изучить обзор каждой комплектующей и узнать соответствующий показатель потребления. Как вариант: зайдите на официальный сайт производителя деталей машины и сложите показатели каждого. Полученная сумма и будет иметь общую мощность, по которой и следует покупать БП.

Требуемую мощность блока питания можно рассчитывать автоматически специальными сервисами.

Существует способ попроще – подойдёт больше для любителей, которые всерьёз никогда не занимались компьютерами. Всё, что вам нужно делать, это определить мощность материнской платы и видеокарты. Как правило, остальные детали потребляют мизерную часть электроэнергии. На основании полученной суммы необходимо покупать блок питания. Тем не менее, стоит выбирать модель, которая имеет некоторый запас мощности, чтобы устройство не находилось постоянно в нагрузке. Рассмотрим, как варьируется этот показатель на современных модификациях БП.

Маломощные — от 200 до 400 Вт.
Средней мощности — от 400 до 600 Вт.
Высокой мощности — от 650 и выше.

Модели блоков питания, которые имеют показатель 650 Вт и более, устанавливают на игровые компьютеры, поэтому для домашнего или рабочего системного блока тратить большие деньги не рационально.

Разъёмы для питания материнской платы и видеокарты

Когда с мощностью закончили и присмотрели подходящий вариант питающего приспособления, важно определить достаточным ли количеством разъёмов обладает блок питания. Стандартно нужны выходы под питание видеокарты и материнской платы. Также адаптер подключается к жёстким дискам и, если есть, дополнительные SATA накопители.

Оседающая пыль на вентиляторе блока питания небезопасна: она может вызвать перегрев блока, а также вывести его из строя.

К примеру, у пользователя имеется многопроцессорный ПК, соответственно, к нему больше подойдёт блок БП с двумя коннекторами 8 pin. Для мощных системников с несколькими видеокартами важно иметь БП с разъёмами 6+2 pin. Для запаса необходимо, чтобы устройство оснащалось, как минимум четырьмя разъёмами для SATA.

К СВЕДЕНИЮ!

Обязательно обращайте внимание на длину провода ATX24 и CPU – их должно хватать до каждой детали. Варианты с показателем длины менее 65 см не всегда подходят. Это ещё зависит от размера самого корпуса системного блока.

Интерфейс подключения внутренних накопителей и периферийных устройств

В качестве дополнения следует сказать о таких разъёмах как SATA – они в новых моделях блоков питания имеют совершенно иной интерфейс и внешний вид провода. Ранее вместо такой комплектации применялся интерфейс IDE, что не всегда было удобно при коммутации различных деталей системника.

SATA — это и есть интерфейс блока питания, который выполнен в виде нового разъёма для подключения.

По внешнему виду разъёмы IDE и SATA существенно отличаются, соответственно, первые имеют некоторые минусы относительно вторых.

SATA работает в несколько раз быстрее, чем IDE.
Провод IDE намного шире обновленного, поэтому занимает много места и к новым типам винчестеров уже не подходит (если только у вас модель не имеет два типа соединений).
Копирование информации или перенос крупных данных выполняется оперативнее на SATA.

Отталкиваясь от предложенных факторов, стоит отметить, что даже для рабочих компьютеров необходимо выбирать модели с интерфейсом разъёмов SATA.

Дополнительные особенности компьютерных блоков питания

Исходя из того, что все действующие детали системы ПК нуждаются в питании, необходимо выяснить его показатель КПД. Определимся для начала, что представляет собой коэффициент полезного действия: это общее количество энергии, которое необходимо для полезной работоспособности компьютера; как правило, её остатки превращаются в тепло.

Все устройства оснащаются специальным сертификатом, на котором указывается данный показатель.

Тип устройства	Напряжение в электросети 220 V
Процент нагрузки, %	10	20	50	100
80 PLUS Bronze	—	81	85	81
80 PLUS SILVER	—	85	89	85
80 PLUS PLATINUM	—	90	94	91
80 PLUS GOLD	—	88	92	88

Подключая разъёмы к деталям системного блока, главное не перепутать их, поэтому нужно следить за маркировкой.
Хороший уровень КПД отличается несколькими преимуществами:

чем лучше показатель КПД, тем эффективнее расходуется электроэнергия независимо от мощности блока питания;
имеет минимальный показатель нагрева, соответственно, охлаждение и рассеивание тепла происходит быстрее;
длительный срок службы;
минимальный уровень шума, так как устройство не работает в полную нагрузку;
качественное питание для всех комплектующих без существенных погрешностей.

Новые модели устройств имеют встроенный активатор типа Active Power Factor Correction, который распространяется на усовершенствование КПД и правильное питание ПК в целом.

Если в блоке питания установлена подсветка, она никакого результата не даёт, кроме эстетического.

Защитные опции компьютерных блоков питания

Не менее важно иметь надёжный блок питания, а именно такой, который после небольших сбоев в работе продолжит действие в штатном режиме. Чтобы обзавестись таким прибором, вам необходимо убедится в наличии на нём защитных опций. О чём идет речь, смотрим далее.

Защита от перепадов напряжения. Это очень полезная функция, главным действующим элементом которой является стабилизатор: он способен уберечь блок питания от сгорания.
Защита от электрической перегрузки. Сила тока, передаваемая от сети к блоку питания, имеет превышенную величину, поэтому разветвляется на оптимальное количество Вольт для стабильной работы ПК. При правильно установленной защите происходит её срабатывание, как только сила тока в блоке достигнет 20-25 А.
Защита от короткого замыкания. Для этого в БП устанавливается специальная схема SCP, которая уже несколько десятков лет рекомендует себя как качественный и долговечный механизм. База этой схемы — пара транзисторов.
Защита от перегрева. Неотъемлемая функция практически каждого блока. ОТР выполняет защитное отключение в тот момент, когда температура платы достигнет предельного значения.
Защита по питанию. Опциональный вид защиты OPP или OPL — он реализуется при помощи специально установленного контроллера. Система предназначена для осуществления контроля за приходящим током. В случае, если превышается допустимый порог, блок питания отключает весь системный блок.

Если в БП имеется целый комплекс систем, которые осуществляют свою работу на качественном уровне, то подобные модели прослужат длительное время.

Некоторые блоки оснащены специальным крепежом для фиксации в корпусе ПК.

Немного теории

Но прежде чем мы начнем копаться во внутренностях, давайте зададимся вопросом, действительно ли блок питания настолько необходим? Почему нельзя подключить компьютер напрямую к розетке? Ответ заключается в том, что компьютерные комплектующие рассчитаны на совсем другое напряжение, нежели сетевое.

На графике ниже показано, каким должно быть электричество сети (в США = синяя и зеленая кривые; Великобритания = красная кривая). Ось X представляет время в миллисекундах, а ось Y – напряжение (voltage) в вольтах. Проще всего понять, что такое напряжение, глядя на разность энергий между двумя точками.

Если напряжение приложено к проводнику (например, к металлической проволоке), разница в энергии заставит электроны в материале проводника течь от более высокого энергетического уровня к более низкому. Электроны – составляющие атомов, из которых состоит проводник, и металлы имеют много электронов, которые могут свободно перемещаться. Этот поток электронов называется током (current) и измеряется в амперах.

Хорошую аналогию можно провести с садовым шлангом: напряжение сродни давлению, которое вы используете, а расход воды – это ток. Любые ограничения и препятствия в шланге – по сути как электрическое сопротивление.

Мы видим, что электричество в сети варьируется с течением времени, из-за чего оно называется напряжением переменного тока (AC, alternating current). В США сетевое напряжение меняется 60 раз в секунду, достигая пиковых значений 340 В или 170 В, в зависимости от местоположения и способа подключения. В Великобритании пиковые напряжения пониже, и частота этих колебаний также немного отличается. Большинство стран придерживаются схожих стандартов сетевого напряжения, и лишь в немногих странах пиковые напряжения более низкие или более высокие.

Потребность в блоке питания заключается в том, что компьютеры не работают с переменным током: им нужно постоянное напряжение, которое никогда не меняется, и кроме того – гораздо более низкое. На том же графике оно будет выглядеть примерно вот таким:

Но современному компьютеру требуется не одно постоянное напряжение, а четыре: +12 вольт, -12 вольт, +5 вольт и +3,3 вольта. И поскольку эти значения не меняются, такой ток называется постоянным (DC, direct current). Преобразование тока из переменного в постоянный (т.н. выпрямление) – одна из основных функций блока питания. Пришло время вскрыть его и посмотреть, как он это делает!

Преобразование тока из переменного в постоянный – одна из основных функций PSU. Пришло время посмотреть, как он это делает!

Здесь мы должны предупредить вас, что в блоке питания есть элементы, накапливающие электричество, в том числе смертельное. Поэтому разбирать PSU потенциально опасно.

Официальное фото блока питания Cooler Master.
Принцип работы этого блока питания аналогичен многим другим, и хоть маркировки на различных деталях внутри будут отличаться, принципиальных различий это не делает.

Разъём сетевого шнура находится в верхнем левом углу фотографии, и ток по сути идет по часовой стрелке, пока не достигнет выхода из блока питания (пучок цветных проводов, нижний левый угол).

Источник фото
techspot.com
Если мы перевернем плату, мы увидим, что по сравнению с материнской платой, проводники и соединения на ней более широкие и массивные – это потому, что они рассчитаны на более высокие токи. Также, бросается в глаза широкая полоса в середине, будто текущая по равнине река.

Это снова говорит о том, что все блоки питания имеют два четко разделённых узла: первичный и вторичный. Первый – это настройка входного напряжения, чтобы его можно было эффективно понижать; второй – это все настройки уже выпрямленного и пониженного напряжения.

Как устроена система охлаждения блоков питания

Всего имеется три зоны отвода горячего воздуха. Осуществляется процесс охлаждения тремя вентиляторами, которые размещаются у центрального процессора, видеокарты и на самом блоке питания. Одним из распространенных способов охладить блок питания для ПК является внедрение кулера диаметром 80 мм. После того как блок запускается, вентилятор начинает свою работу и распределяется внутри компьютера, отдавая охлаждённый поток воздуха требовательным зонам. Именно таким образом работают приборы АТХ12Vи СFХ12V.

Если взять, к примеру, модель STX12V, то здесь всё устроено несколько иначе: здесь устанавливаются вентиляторы, не превышающие в диаметре 60 мм. Как правило, это одни из дорогих моделей, которые имеют возможность настраивать скорость движения ротора вентиляторов.

Блоки, которые не оснащены вентилятором, имеют другой тип охлаждения.

Некоторые модели БП регулируют скорость автоматически только с того момента, как на процессор даётся повышенная нагрузка. За счёт наличия терморегулятора скорость вращения кулера начинает варьироваться от 1000 до 3000 об/мин.

Большое значение в охлаждении имеет тип решётки вентилятора. Наиболее актуальной считается изготовленная из проволочной стали с небольшим сечением. Эта конструкция быстрее передает поток воздуха внутрь системного блока.

Преобразование

Как мы уже сказали, блоку питания нужно изменить напряжение переменного тока, которое в американских розетках обычно в районе 120 вольт (технически, это среднеквадратичные 120 вольт, но мы не будем так язык выламывать), получив на выходе постоянное напряжение 12, 5 и 3,3 вольт.

Первым делом осуществляется преобразование переменного тока в постоянный, и наш блок использует для этого выпрямительный мост. На фото ниже это плоский черный элемент, приклеенный к радиатору.

Источник фото techspot.com

Это еще одно место, где производитель блоков питания может сократить расходы, поскольку более дешевые выпрямители хуже справляются со своей задачей (например, сильнее греются). Теперь, если пиковое входное напряжение составляет 170 В (что имеет место для сети 120 В), то пройдя через выпрямительной мост, оно станет 170 В, но уже постоянного тока.

В таком виде оно поступает на следующую стадию, и в нашем блоке это активный модуль коррекции коэффициента мощности (APFC или Active PFC, Active Power Factor Correction converter). Этот узел также стабилизирует напряжение, сглаживая «провалы» за счет накапливающих конденсаторов; кроме того, он защищает от скачков выходной мощности.

Пассивные корректоры (PPFC или Passive PFC) выполняют по сути ту же работу. Они менее эффективны, но хороши для маломощных блоков питания.

Источник фото techspot.com

APFC на фото выше представлен в виде пары больших цилиндров слева – это конденсаторы, которые накапливают выровненный ток, прежде чем отправить его дальше по цепочке процессов в нашем блоке питания.

За APFC находится ШИМ, широтно-импульсный модулятор (PWM, Pulse Width Modulator). Его предназначение заключается в том, чтобы с помощью нескольких быстро переключающихся полевых транзисторов преобразовать постоянный ток обратно в переменный. Это нужно сделать потому, что на следующем шаге нас ждёт понижающий трансформатор. Эти устройства, основанные на электромагнитной индукции, состоят из двух обмоток с разным количеством витков на металлическом сердечнике, необходимых для понижения напряжения, и работают трансформаторы только с переменным током.

Частота переменного тока (скорость, с которой он изменяется; в герцах, Гц) значительно влияет на эффективность трансформатора – чем выше, тем лучше, поэтому частота исходного питания 50/60 Гц увеличивается примерно в тысячу раз. А чем эффективнее трансформатор, тем меньше его размер. Такой тип устройств, который использует эти сверхбыстрые частоты постоянного тока, называется импульсным источником питания (Switched Mode Power Supply, SMPS).

На фото ниже вы можете видеть 3 трансформатора – самый большой имеет на единственном выходе 12 вольт, а тот, что поменьше – 5 вольт (чуть поговорим ещё о нём позже). В других БП вы можете встретить один большой трансформатор сразу на все напряжения, то есть с несколькими выходами. А самый маленький трансформатор предназначен для защиты транзисторов ШИМ и подавления его помех.

| Источник фото techspot.com

Можно по-разному реализовать получение необходимых напряжений, защиту ШИМ, и так далее. Всё зависит от бюджетного сегмента и мощности устройства. Однако, всем одинаково необходимо снять напряжения с трансформаторов и снова выпрямить.

На фото ниже мы видим алюминиевый радиатор низковольтных диодов, выполняющих это выпрямление. А также, конкретно в этом PSU, мы видим небольшую дополнительную плату в центре фото – это узел модулей регулирования напряжения (VRM, Voltage Regulation Modules), обеспечивающий выходы 5 и 3,3 вольт.

Источник фото techspot.com

И тут нам стоит поговорить о том, что такое пульсация.

В идеальном мире, с идеальными блоками питания, переменный ток будет преобразован в абсолютно ровный, без малейших колебаний, постоянный ток. В действительности же, такой 100%-ой точности не достигается, и напряжение постоянного тока имеет хоть и незначительные, но колебания.

Этот эффект называется пульсирующим напряжением, и в наших блоках питания мы бы хотели, чтобы оно было как можно меньше. Cooler Master не предоставляет информации о величине пульсирующего напряжения в спецификации к нашему подопытному PSU, поэтому мы прибегли к сторонним результатам тестирования. Один из таких анализов был выполнен JonnyGuru.com, и они установили, что максимальное пульсирующее напряжение выхода +12 В – 0,042 В (42 милливольт).

График ниже демонстрирует отклонение фактически получаемого напряжения (синяя кривая; при этом её форма, конечно, не такая идеальная синусоида – ведь сама пульсация не постоянна) от требуемого ровного напряжения +12 В постоянного тока (красная прямая).

Это отклонение, по большей части, лежит на совести конденсаторов во всём PSU. Некачественные, дешёвые конденсаторы приводят к увеличению этой не нужной нам пульсации. Если она слишком большая, то некоторые электронные узлы компьютера, наиболее чувствительные к качеству питания, могут начать работать нестабильно. К счастью, в нашем примере 40 с лишним милливольт это нормально. Не супер, но и не плохо.

Но на получении приемлемых выходных напряжений дело ещё не заканчивается. Необходимо обеспечить управление выходами, чтобы питание на каждом из них было всегда полноценным и стабильным, независимо от мощности нагрузок на других выходах.

Источник фото techspot.com
Микросхема, которую вы видите на этом фото, называется супервизор (supervisor) и она следит за тем, чтобы на выводах не оказалось слишком высокого или низкого напряжения и тока. Работает бесхитростно – просто отключает блок питания при возникновении таких проблем.

Более дорогие PSU могут оснащаться ЦПОС, цифровым процессором обработки сигналов (DSP, Digital Signal Processor), который не только мониторит напряжения, но и может отрегулировать их при необходимости, а также отправлять подробные данные о состоянии БП на компьютер, его использующий. Для рядового пользователя эта функция достаточно спорная, но для серверов и рабочих станций – весьма желательная.

Лучшие производители блоков питания и популярные модели

Несомненно, лучше отдавать предпочтение известным производителям, которые предлагают взамен достойное качество и хорошую работоспособность. Поэтому редакция Tehno.guru предлагает обратить внимание на несколько моделей ниже.

ACCORD ACC-450-12 450W — блок питания с простым способом установки

Классические модели подходят для большинства компьютеров со стандартными рабочими параметрами.
Подбирая блок питания для домашнего или офисного ПК со стандартными параметрами, следует отметить заявленную модель как одну из лучших, простых, без серьёзных наворотов. Установка имеет один традиционный вентилятор диаметром 120 мм. Соответственно, подойдёт только для системных блоков привычных параметров.

Мощность, Вт	Тип охлаждения	Параметры, мм	Типы разъемов	Защита от короткого замыкания
450	Один вентилятор	86×150×140	20+4 pin	есть

Отзыв о модели ACCORD ACC-450-12 450W

Подробнее на Яндекс.Маркет: https://market.yandex.ru/product—blok-pitaniia-accord-acc-450-12-450w/12367530/reviews?track=tabs

Блок питания ACCORD ACC-450-12 450W

Блок питания Powerman PM-300ATX 300W

Отличный вариант для ненавороченных ПК.
Узкоформатная модель блока питания, предназначенная для таких системников, которые имеют соответствующую нишу для установки. Устройство оснащено стандартной системой охлаждения, однако имеет не очень удобную решётку для отвода воздуха. Тем не менее, отлично справляется с задачами, возложенными на него.

Мощность, Вт	Тип охлаждения	Параметры, мм	Тип разъемов для материнской платы
300	1 вентилятор (80 мм)	65×85×175	20+4 pin

Блок питания Powerman PM-300ATX 300W

Sea Sonic Electronics SSP-650RT 650W — высокомощный агрегат для ПК

Удобная модель с маркировкой под выходы для питания.
Такая система питания подойдёт идеальным образом для игрового компьютера. Устройство способно максимально запитывать графические девайсы. Кроме того, модель блока имеет стандартный внешний вид и оптимально оборудованную решётку для освобождения воздуха от вентилятора.

Мощность, Вт	Параметры, мм	Способ охлаждения	Тип разъема для материнской платы	Сертификат КПД
650	86×150×140	1 вентилятор	20+4 pin	80 PLUS Gold

Отзыв о модели Sea Sonic Electronics SSP-650RT 650W

Подробнее на Яндекс.Маркет: https://market.yandex.ru/product—blok-pitaniia-sea-sonic-electronics-ssp-650rt-650w/9275780/reviews?track=tabs

Sea Sonic Electronics SSP-650RT 650W

AeroCool KCAS PLUS 600W — стандартная высокомощная установка

Отличительные свойства блоков питания заключаются в способности вовремя реагировать на некорректность работы.
Предложенный вариант блока питания для ПК не имеет никаких конструктивных особенностей, так как предназначен для корпуса системного блока обычного размера. Отличается высокой мощностью, соответственно, подойдёт к системе, где работает несколько видеокарт и жёстких дисков.

Мощность, Вт	Скорость работы, об/мин	Тип охлаждения	Тип разъема для материнской платы	Защита от перегрузки
600	800	1 вентилятор	20+4 pin	есть

Отзыв о модели AeroCool KCAS PLUS 600W

Подробнее на Яндекс.Маркет: https://market.yandex.ru/product—blok-pitaniia-aerocool-kcas-plus-600w/43055883/reviews?track=tabs

Блок питания AeroCool KCAS PLUS 600W

Фильтрация

Первое, что блок питания делает с сетевым электричеством, это не выпрямление и не понижение, а выравнивание входного напряжения. Поскольку в наших домах, офисах и на предприятиях имеется множество электрических устройств и приборов, постоянно включающихся-выключающихся, а также излучающих электромагнитные помехи, переменный ток в сети часто бывает «скомканный» и со случайными скачками и перепадами (частота также не постоянна). Это не только затрудняет блоку питания выполнять преобразования, но может вывести из строя некоторые элементы внутри него.

Наш БП имеет две ступени так называемых входных фильтров (transient filter), первая из которых построена сразу на входе с помощью трёх конденсаторов. Она выполняет роль, похожую на роль «лежачего полицейского» на дороге – только вместо скорости, этот фильтр гасит внезапные скачки входного напряжения.

Источник фото techspot.com

Вторая ступень фильтра более сложная, но в сущности делает то же самое.

Желтые кирпичики – это снова конденсаторы, а вот зеленые кольца, обмотанные медным проводом, это индуктивные катушки (хотя при таком использовании их обычно называют дросселями). Катушки накапливают электрическую энергию в магнитном поле, но энергия при этом не теряется, а за счет самоиндукции плавно возвращается обратно. Таким образом, внезапно появившийся высокий импульс (скачок) поглощается магнитным полем дросселя, чтобы на выходе дать ровное напряжение без всяких скачков.

Два маленьких синих диска – ещё одни представители многообразия конденсаторов, а чуть ниже них (зелёный, с длинными ножками, обтянутыми черными изоляторами) – металлооксидный варистор (MOV). Они также используются для защиты от скачков входного напряжения. Подробнее о различных типах входных фильтров можно прочитать здесь.

Источник фото techspot.com

По этому узлу блока питания часто можно определить, насколько производитель сэкономил, или к какому бюджетному классу принадлежит девайс. Более дешевые будут иметь упрощённую фильтрацию входа, а самые дешёвые и вовсе не иметь таковой (избегайте таких!).

Теперь, когда напряжение выровнено и причёсано, ему дозволяется идти дальше – собственно, к преобразованию.

что это такое и как он работает?

Давно прошли времена, когда блоки питания на различное оборудование были трансформаторными. Многие молодые люди даже и не знают, как они выглядели. На сегодняшний день очень широкое распространение получил импульсный источник питания (или ИБП), и это не удивительно. Меньшая стоимость, отсутствие посторонних шумов при работе, более компактный размер и в то же время меньшее потребление электроэнергии вследствие более высокого коэффициента полезного действия — все эти преимущества в сумме и решили судьбу трансформаторных блоков, конечно, не в их пользу.

А все-таки, что такое импульсный блок питания? И каким же образом разработчикам удалось добиться подобного результата? Сейчас попробуем найти ответ на этот вопрос, разобраться в достоинствах (а может быть и недостатках) импульсного источника питания, а также понять схему и принцип работы подобного устройства.

Как работает импульсный блок питания

Принцип работы импульсного блока питания в корне отличается от действия обычного, трансформаторного блока питания. Изначально напряжение в 220 В проходит через диодный мост, после чего прямой ток поступает в инвертор, т.е. преобразователь напряжения в токи высокой частоты. Это действие может выполняться либо посредством гальванического отделения питающей сети от входной цепи, либо без такового.

Если гальваническая развязка присутствует, то высокочастотный ток подвергается ей при помощи трансформатора. Причем, чем выше будет частота импульсов, тем эффективнее будет работать трансформатор.

Схемы включения каскадов силовых ключей

Само действие такого БП основывается на применении трех элементов, которые содержит схема импульсного блока. Они четко взаимодействуют между собой в процессе работы. Элементы эти следующие:

контроллер широтно-импульсного модулятора;
транзисторный блок, который может быть включены по одной из схем — мостовой, полумостовой или же по схеме со средней точкой;
импульсный трансформатор, у которого имеется первичная и вторичная обмотки, смонтированные на магнитопроводе.

При условии отсутствия гальванической развязки высокочастотного трансформатора тока в схеме нет, а сигнал подается сразу на фильтры НЧ. По сути, все схемы импульсных источников питания идентичны.

Далее попробуем более детально разобрать, как работает каждый из этих трех элементов.

Контроллер широтно-импульсной модуляции

Наверное, не нужно объяснять, что контроллер — это управляющее чем-либо устройство. Если разбирать именно ШИМ в импульсном блоке, то тут закладывается задача создания токов с одной частотой, но с различной длительностью включения. Логической единицей выступает, естественно, сам импульс, ну а нулем — его отсутствие.

Импульсы обусловлены одинаковым периодом колебания, т.е. амплитуда их величин равна. А вот работой электронной схемы позволяет управлять именно отношение продолжительности к самому периоду.

Для того чтобы проще было понять изложенное, можно обратиться к схематическому изображению.

Импульсы, создаваемые ШИМ

Принимая во внимание, что частота тока в сети 220 В равна 50 Гц, можно себе представить, насколько сложна работа, выполняемая контроллером и модулятором ШИМ. Обычно на его выходе образуется ток, с частотой порядка 30-60 кГц.

Вообще, широтно-импульсная модуляция в наше время применяется во многих устройствах. И самый яркий тому пример — инверторные сварочные аппараты, где как раз при помощи ШИМ удалось снизить габариты и массу устройства в десятки раз по сравнению с обычными трансформаторными агрегатами.

Транзисторный блок, или каскад силовых ключей

Мощные полевые или IGBT-транзисторы образуют каскад, который также может управляться и менее мощными элементами либо интегральными драйверами. Собраны эти транзисторы могут быть в одну из трех схем: мостовую, полумостовую либо со средней точкой.

Вот, собственно, и все, что можно сказать о силовых ключах импульсного блока питания.

Импульсник, или блок без гальваники

Импульсник, т.е. высокочастотный трансформатор, может быть собран на основе ферритового или альсиферового кольца, на котором и размещены первичная и вторичная обмотки. Они могут выдавать высокочастотный ток с импульсом до 100 кГц. Их работу дополняют различные фильтрующие элементы и диоды.

Если же гальваническая развязка в подобном БП отсутствует, то сигнал напрямую будет поступать на низкочастотный фильтр без какой-либо трансформации. Наглядно это показано на схематическом изображении.

Импульсный блок питания без гальванической развязки

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

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.
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%.
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.
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.
На основании того, что модули полупроводников достаточно малы, появляется возможность встраивания дополнительных блоков защиты (от короткого замыкания, перегрева, перегрузки и т.п.).

Схема импульсного блока питания

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.

Подведем итог

Очень хотелось объяснить, что означает импульсный блок питания для чайников, но вопрос этот сложен, а потому получилось ближе к научному пояснению. Если обобщить изложенную информацию, то импульсные блоки питания действительно стали прорывом в своей области электроники. По сравнению с трансформаторными блоками, такие ИБП намного экономичнее, производительнее, меньше и легче. И что самое интересное — при всех своих преимуществах они еще и дешевле аналоговых.

Конечно, технологии не стоят на месте, прогрессируя с каждым годом. Возможно, что скоро появятся еще более высокотехнологичные зарядные устройства или блоки питания. Но на сегодняшний день ИБП являются верхом инженерной мысли, а потому они стоят нашего внимания.

Похожие статьи: Принцип действия и устройство импульсного источника питания

Импульсный источник питания сильно отличается от линейного источника питания. Несмотря на свою сложность, более высокую стоимость материалов и большее количество деталей, импульсный источник питания по-прежнему является предпочтительной топологией источника питания на рынке. Основная причина — более высокий КПД и более высокая удельная мощность. Более высокая эффективность просто означает, что только небольшая часть входной мощности тратится впустую, в то время как более высокая плотность мощности означает, что более высокая мощность возможна при меньшем форм-факторе или размере.

Обзор линейного блока питания AC-DC

Трансформатор 50/60 Гц

Это может быть повышение или понижение в зависимости от использования. Обычно это понижающая версия, поскольку обычное требуемое выходное напряжение ниже входного уровня.

Выпрямитель

Преобразует переменный ток в пульсирующий постоянный ток. Чаще всего используется выпрямитель двухполупериодного мостового типа, как показано на схеме.

Фильтр

Простой фильтр — это электролитический конденсатор. Это увеличит среднеквадратичный или постоянный уровень выпрямленного сигнала.

Регулятор

Это будет поддерживать чистый постоянный ток на выходе, чтобы не создавать проблем для чувствительных нагрузок или системы.

Общие проблемы

Эффективность и размер — распространенная проблема, связанная с линейным источником питания переменного и постоянного тока. Он также ограничен только для приложений с низким энергопотреблением.Для работы с высокой мощностью трансформатор 50/60 Гц будет очень большим и дорогим. Отфильтрованное вторичное выпрямленное напряжение должно всегда быть выше выходного со значительным запасом, чтобы регулятор мог работать правильно. По этой причине избыточное напряжение будет поглощаться регулятором, что приведет к огромным потерям мощности при умножении на ток нагрузки. Вот почему эффективность очень низкая. Линейный источник питания переменного и постоянного тока также не может обеспечить широкий диапазон входных сигналов. Например, трансформатор рассчитан на 220–20 В переменного тока, вы больше не можете использовать его для 110 В переменного тока, так как вы больше не можете получить 20 В переменного тока на вторичной обмотке.

Обзор линейного источника питания постоянного и постоянного тока

Вышеупомянутая схема представляет собой базовый линейный источник питания постоянного и переменного тока. Это просто и очень просто, поскольку в нем всего несколько компонентов. Однако его основным недостатком по-прежнему остается эффективность, ограниченная только для приложений с низким энергопотреблением. Для правильного регулирования линейного регулятора его входное напряжение должно быть выше выходного напряжения с запасом. Разница во входном и выходном напряжениях называется падением напряжения.В настоящее время на рынке уже есть линейные стабилизаторы с малым падением напряжения. Низкое падение напряжения все равно приведет к огромным потерям мощности при работе с более высоким током.

Блок-схема импульсного источника питания

AC-DC

Ниже представлена блок-схема двухступенчатого импульсного источника питания постоянного и переменного тока. Первый блок — это мостовой выпрямитель, предназначенный для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный ток. В отличие от линейного источника питания переменного и постоянного тока, этот мостовой выпрямитель требует высокого напряжения, поскольку он напрямую видит входное напряжение.Импульсный преобразователь первой ступени в большинстве случаев представляет собой повышающий преобразователь, который функционирует как схема коррекции коэффициента мощности или PFC. Повышающий преобразователь имеет выходную мощность выше, чем входную. Коррекция коэффициента мощности необходима для переключения силовой цепи, чтобы скорректировать форму тока и минимизировать гармоники. Повышающий преобразователь — лучшая схема активной коррекции коэффициента мощности из-за его способности потреблять ток от входа в обоих состояниях Q1 (включен или выключен). Импульсный преобразователь второй ступени обычно называют секцией DC-DC производителями или разработчиками источников питания.Для DC-DC доступно множество топологий, таких как резонанс (LLC, последовательный, параллельный), прямой (ITTF, TTF, одиночный транзистор), мост и полный мост и многие другие. На приведенной ниже схеме секция DC-DC представляет собой резонансный преобразователь LLC. Последний блок — это выходной выпрямитель и фильтр. В приложениях с высокой мощностью вместо диодов используются NMOS.

Схема ниже обычно используется для автономных адаптеров и зарядных устройств с низким энергопотреблением. Это только использование одного переключающего преобразователя на секции DC-DC, который является обратным преобразователем.Обратный преобразователь эффективен при номинальной мощности до 100 Вт. В некоторых случаях Flyback используется до 200 Вт, если соблюдаются требования, особенно по эффективности. Каскад PFC больше не используется, поскольку типичная или номинальная мощность этой конфигурации составляет около 80–120 Вт, а требования к коэффициенту мощности для этого диапазона мощности не такие строгие. Обратный преобразователь очень популярен для маломощных импульсных источников питания в автономном режиме из-за его простоты и меньшего количества деталей.

Импульсный источник питания постоянного и постоянного тока

Существует несколько топологий, которые можно использовать для создания импульсного источника питания DC-DC.Схема ниже представляет собой понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный или обычно известный как понижающий преобразователь. Понижающий преобразователь имеет выходное напряжение ниже входного.

Еще одно решение для импульсного источника питания постоянного и постоянного тока — это повышающий преобразователь, показанный на схеме ниже. Повышающий преобразователь имеет выходную мощность выше, чем входную.

Комбинация понижающего и повышающего преобразователя также возможна в повышенно-понижающей топологии.Ниже приведено инвертирующее решение для повышения и понижения напряжения. Его можно настроить для работы, когда его вход ниже, чем выход, или наоборот. Неинвертирующий понижающий-повышающий также вариант, но он имеет несколько компонентов, чем инвертирующий понижающий-повышающий.

Принцип работы импульсных источников питания

Мы показываем в корпусе выше некоторые разновидности импульсного источника питания как в AC-DC, так и в DC-DC формах. Что именно делает SMPS? Чем он отличается от обычного линейного блока питания?

Импульсный источник питания — это источник питания, в котором в качестве силовой части используется импульсный преобразователь.Это может быть несколько переключающих преобразователей, работающих в каскаде или параллельно, или один. Импульсные преобразователи — это сердце импульсных источников питания.

Импульсный преобразователь работает по принципу непрерывного включения и выключения полупроводникового переключателя. Включение означает работу полупроводникового переключателя, такого как MOSFET, в режиме насыщения, в то время как выключение означает работу MOSFET в режиме отсечки. При насыщении на канале MOSFET не будет падения напряжения (в идеале), следовательно, не будет потерь мощности.С другой стороны, при отключении тока не будет, так что потери мощности по-прежнему отсутствуют. Благодаря этому принципу достигается очень высокий КПД.

На самом деле, есть небольшие потери мощности из-за сопротивления открытого МОП-транзистора и задержки выключения, которая вызывает небольшое пересечение между напряжением и током.

Приведение полупроводникового переключателя в режим насыщения и отсечки возможно с помощью ШИМ-контроллера. Контроллер PWM может быть аналоговой ИС для конкретного приложения (ASIC) или цифровым решением, таким как MCU, DSC и DSP.Контроллер также устанавливает регулирование и другие защиты цепи.

Постановление о получении продукции

Чтобы хорошо это обсудить, давайте рассмотрим понижающий преобразователь, показанный на схеме ниже. Принцип одинаков для всех переключающих преобразователей.

Может быть, вы уже слышали о системе разомкнутого и замкнутого контура. Система разомкнутого контура не имеет возможности настраиваться на основе поведения выхода, но замкнутая система имеет.Например, в приведенной выше схеме (понижающий переключающий преобразователь) регулирование разомкнутого контура возможно за счет обеспечения фиксированного входного напряжения, фиксированной нагрузки и фиксированного рабочего цикла. Для понижающего преобразователя идеальное соотношение входного и выходного напряжения определяется рабочим циклом. Для понижающего преобразователя уравнение рабочего цикла составляет

Подробное объяснение того, как вычисляется рабочий цикл понижающего преобразователя, можно найти в статье «Расчет рабочего цикла понижающего преобразователя».

Например, входное напряжение составляет 20 В, а желаемое выходное напряжение — 10 В, рабочий цикл может быть установлен на 50%. Таким образом, сигнал ШИМ в приведенной выше схеме должен иметь 50% времени включения. Это может быть нормально, если вход фиксирован, а нагрузка также постоянна. Однако, когда есть небольшое возмущение, выход легко станет сумасшедшим, поэтому рекомендуется использовать управление с обратной связью.

Для управления замкнутым контуром необходим хороший контроллер (стандартный контроллер), или, если вы очень хорошо разбираетесь в системе управления, вы можете разработать собственное аналоговое или цифровое управление.

Замкнутый цикл для получения Положения

Схема ниже представляет собой понижающий преобразователь постоянного тока, который может работать от входных напряжений 30-60 В и выходных напряжений 24 В, 75 Вт. В силовую часть входят NMOS Si7852, диод SS3H9 и катушка индуктивности 47uH. Резисторы делителя 93,1 кОм и 4,99 кОм составляют цепь обратной связи для управления по замкнутому контуру. Напряжение на резисторе 4,99 кОм сравнивается с внутренним опорным напряжением на выводе V _FB контроллера.

Выходной сигнал не может отклоняться от установленного уровня из-за замкнутого контура.Выше представлено простое решение, благодаря контроллерам, доступным на рынке в настоящее время. Принцип, лежащий в основе управления с обратной связью, очень технический, но о нем забывают, поскольку на рынке доступно множество простых решений.

Чтобы сделать ответ петли быстрым, необходима компенсационная сеть. В приведенной выше схеме компоненты, подключенные к выводу V _C, составляют схему компенсации.

Немного подробнее об эксплуатации SMPS

Цепи, из которых состоят импульсные блоки питания, представляют собой импульсные преобразователи.Понимание работы импульсного преобразователя также прояснит работу импульсного источника питания. Позвольте мне рассмотреть схему повышающего преобразователя ниже. Когда PWM высокий (MOSFET Q1 насыщается), переключатель Q1 включается, и на этот раз индуктор L1 заряжается. Диод D1 будет смещен в обратном направлении, и нагрузка будет зависеть только от заряда конденсатора C1.

Когда сигнал ШИМ низкий, Q1 отключается. Катушка индуктивности будет сопротивляться внезапному изменению тока, поэтому она изменит свою полярность, чтобы поддерживать то же направление тока.В результате D1 будет смещен в прямом направлении, а C1 восполнит свой заряд, а нагрузка будет получать свою мощность от входа. Изменение полярности катушки индуктивности создает уровень напряжения выше входного (эффект усиления). На диаграмме ниже показаны формы колебаний тока катушки индуктивности, диода и полевого МОП-транзистора в зависимости от состояния ШИМ.

КПД импульсного источника питания

Основная причина, по которой этот тип источника питания так популярен, — это его способность обеспечивать более высокий КПД.Ниже приведена таблица КПД, достижимого для импульсного источника питания, стандартизованного на 80+.

Эффективность вычисляется как

Ploss — общие потери источника питания. Ранее я упоминал о нулевом рассеянии мощности, когда переключатель находится в состоянии насыщения или при отключении. В идеале, но такой идеальной системы нет. Потери импульсного источника питания возникают из-за RDSon полевого МОП-транзистора, коммутируемых потерь, диодных потерь, потерь смещения и потерь, связанных с индуктором.

Руководство по проектированию ИИП

1.Знакомство с приложением

Определите приложение. Например. в каком приложении используется источник питания, каковы окружающие условия, рабочие температуры и определить, будет ли принудительное воздушное охлаждение или естественная конвекция. Принудительный воздух и естественная конвекция имеют разный дизайнерский подход.

2. Определить мощность

Если вашему приложению требуется 100 Вт, не создавайте блок питания на 100 Вт.Всегда включайте минимум 40% запаса на случай внезапных перегрузок. Если позволяет бюджет, вы можете спроектировать блок питания мощностью 200 Вт так, чтобы ваша нагрузка всегда была вдвое меньше, чем мощность блока питания. По результатам испытаний импульсный источник питания имеет наибольший КПД при нагрузке 50-60%.

3. Выберите топологию

Когда у вас будет целевая мощность, выберите топологию для использования. Для номинальной мощности ниже 150 Вт Flyback является экономичным решением. Однако для более высоких требований к эффективности Flyback не подходит.Вы можете рассмотреть резонансное решение. Для приложений с высокой мощностью, скажем, в диапазоне киловатт, вы можете рассмотреть полный мост в секции DC-DC. Для приложения DC-DC используйте понижающий режим, если вы стремитесь к более низкому выходному напряжению, повышающий режим для более высокого выходного напряжения или понижающий-повышающий режим, если необходимо комбинировать их.

4. Решите, нужно ли включать схему коэффициента мощности

Это зависит от технических характеристик и приложений. Для зарядных устройств и адаптера малой мощности нет необходимости в дополнительном каскаде PFC.Для высокой мощности или если вы хотите конкурировать на рынке и иметь сертифицированный источник питания, вам необходимо включить схему PFC, такую как повышающий преобразователь.

5. Хотите, чтобы продукт был сертифицирован органами EMC?

Если да, то включите в проект фильтр электромагнитных помех.

6. Используйте синхронные выпрямители, параллельные полевые МОП-транзисторы

Если вам требуется очень высокий КПД, подумайте об использовании синхронного выпрямителя. Вы также можете параллельно использовать полевые МОП-транзисторы, чтобы дополнительно снизить потери проводимости, связанные с RDSon.

7. Выберите Control

Вы можете использовать аналоговые контроллеры для конкретных приложений или выбрать цифровое решение, такое как MCU, DSC или DSP. Аналоговые контроллеры просты. Что ж, если вы хорошо разбираетесь в системах управления, почему бы не подумать о цифровом решении. Цифровое решение очень гибкое, так как вы можете включать в себя ведение домашнего хозяйства или мониторинг.

8. Прочее

Правильный выбор устройств, обратите внимание на номинальное напряжение, номинальный ток, а также номинальную мощность.Остерегайтесь допусков. Учитывайте срок службы конденсаторов, вентиляторов и оптоизоляторов.

Связанные

Nipron [Энциклопедия источников питания] Статья 1, импульсный источник питания (1.3)

Как уже говорилось выше, режим стабилизации питания Подача примерно подразделяется на режим переключения и последовательный режим. В настоящее время под электроснабжением понимается система коммутации во многих случаях из-за высокой производительности и компактности.Здесь механизм переключения источник питания объяснен.

<< Принцип действия >>
Показана принципиальная схема и состав импульсного источника питания. на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 Принципиальная схема и компоненты импульсный блок питания

— Выпрямительный мост: для выпрямления переменного тока в одном направлении
— Электролитический конденсатор: для накопления электричества и работы, чтобы сохранить напряжение
— Высокочастотный трансформатор: для передачи энергии от первичной обмотки к вторичный
— Цепь управления: для управления временем включения / выключения переключающего устройства для стабилизации вторичного напряжения

В этой системе вход (переменный ток: AC) преобразуется в выходной (постоянный ток: DC).Сторона входа называется «Первичный выход». сторона называется «вторичной», на которую передается энергия через высокочастотный трансформатор.

Теперь, обращаясь к диаграмме выше, работает механизм переключения источник питания можно объяснить следующим образом:
(1) Подключите переменный ток (AC) к импульсному источнику питания.
(2) Переменный ток выпрямляется выпрямительным мостом и сглаживается первичной обмоткой. электролитический конденсатор после этого.
(3) Операция переключения (повторная электрическая операция ВКЛ / ВЫКЛ) переключения устройство генерирует переменный ток с высокой частотой.
(4) Энергия (переменный ток) передается через высокочастотный трансформатор на вторичная сторона.
(5) Выпрямление вторичным диодом и сглаживание вторичным электролитом. конденсатор, энергия преобразуется в постоянный ток на выходе.
(6) Для стабилизации выходного напряжения переключение осуществляется через система обратной связи.

Это основной принцип работы импульсного источника питания.

<< Метод схемы >>
Метод схемы в импульсном источнике питания зависит от «DC-DC режим преобразователя, который преобразует постоянный ток в переменный с высокой частотой, и снова преобразовать его обратно в DC ». Кроме того, при определении переключения цикл преобразователя постоянного тока в постоянный, он подразделяется на два режима. Один называется режимом самовозбуждения, блок переключения которого определяет цикл переключения сам по себе.Другой называется раздельным возбуждением. режим (режим ШИМ), в котором есть осциллятор для независимого определения частоты. Особенности режима самовозбуждения: «Низкая стоимость благодаря простоте структура цепи «и» частота изменяется в соответствии с входному напряжению и состоянию нагрузки ». Раздельный режим возбуждения. особенности: «Стоимость обычно высока по сравнению с самовозбуждением. режим, так как в нем используются микросхемы «и» частота постоянна.» Также есть еще два режима, когда энергия передается от от первичного к вторичному. Один называется прямым режимом, когда энергия передается во время периода включения, а другой называется обратным ходом режим, при котором энергия передается в период ВЫКЛ.

(1) Одиночный вперед

Рисунок 1.6 Одинарная форвардная

Этот режим используется во многих импульсных источниках питания из-за простой структура и стабильный контроль.(Используется в наших источниках питания Nonstop во многих случаях). Раздельный режим возбуждения чаще всего используется от малых мощность до высокой мощности. Минус — плохая простота использования трансформатора.

(2) Обратный ход (называемый RCC)

Рисунок 1.7 Обратный ход

Этот режим требует нескольких компонентов и является самым простым режимом, но не подходит для большой мощности. В основном это применяется для малой мощности, но диапазон входного напряжения широк.

(3) Двухтактная

Рисунок 1.8 Толкающий-толкатель

В этом режиме используются два переключающих устройства и катушки для попеременного включения. Смещение магнетизма трансформатора имеет решающее значение.

(4) Полумост

Рисунок 1.9 Полумост

Операция такая же, как и в двухтактном, но применительно к преобразование составляет половину Vi, можно использовать низковольтные транзисторы.В удобство использования трансформатора лучше, но повышение температуры каждый конденсатор вызван током переключения, протекающим в конденсаторах имеет решающее значение.

(5) Полный мост

Рисунок 1.10 Полный мост

Схема сложная, но низковольтные коммутационные аппараты может быть использован. Это обеспечивает высокий КПД и высокую мощность. Удобство использования трансформатора наивысшее из всех.Критические точки магнетизм смещения и ток проникновения между верхним и нижним устройства (полевые транзисторы).

(6) MagAmp (Магнитный усилитель)

Рисунок 1.11 Магнитный усилитель

Этот режим предназначен для управления фазой в импульсе с использованием магнитного насыщения. аморфного сердечника, который имеет свойство прямоугольного гистерезиса для стабилизации выходное напряжение.

(7) Понижающий измельчитель

Рисунок 1.12 Шагающий измельчитель

Это режим неизолированного типа для преобразования в низкое напряжение без трансформатор.

(8) Повышающий прерыватель (также называемый обратным ходом)

Рисунок 1.13 Шаговый измельчитель

Это режим неизолированного типа для преобразования в высокое напряжение без трансформатор.

Принцип импульсного источника питания

Введение

Это видео показывает нам, как работает импульсный источник питания, на схемах, объяснениях, примерах и модификациях.

Каталог

Ⅰ Принцип импульсного источника питания

1.1 Базовый Принцип импульсного источника питания

Импульсный источник питания — это источник питания, в котором используются современные технологии силовой электроники для управления коэффициентом включения и время выключения переключающего транзистора для поддержания стабильного выходного напряжения. Простая конструкция показана на рисунке 1.

Рисунок 1 . B asic C ircuit из Коммутация P ower S подача

Коммутационный транзистор VT включен последовательно между входным напряжением VI и выходным напряжением Vo. Когда база транзистора VT вводит импульсный сигнал переключения, VT периодически переключается, то есть попеременно включается и выключается по очереди.Предполагая, что VT является идеальным переключателем, падение напряжения между базой и эмиттером приблизительно равно нулю, когда VT насыщен, и входное напряжение Vi подается на выход через VT; Напротив, в то время, когда VT отключен, выход равен нулю. После периодического переключения VT импульсное напряжение получается на выходе, а среднее напряжение постоянного тока получается схемой фильтра. Выходное напряжение указано в формуле 1:

(1)

T _на — это время включения, T — период переключения, а D — рабочий цикл.Можно видеть, что импульсный регулируемый источник питания может управлять значением выходного постоянного напряжения, изменяя рабочий цикл импульса переключения, то есть время включения.

1.2 Рабочий процесс импульсного источника питания

Импульсный источник питания обычно состоит из шести частей, как показано на рисунке 2.

Первая часть — это входная цепь, которая содержит фильтрацию нижних частот и одноступенчатое выпрямление. Vi получается после того, как переменный ток 220 В проходит низкочастотную фильтрацию и мостовое выпрямление.Это напряжение отправляется во вторую часть для коррекции коэффициента мощности. Цель состоит в том, чтобы улучшить коэффициент мощности. Форма должна поддерживать входной ток в фазе с входным напряжением.

Третья часть — это преобразователь мощности, который завершается электронным переключателем и высокочастотным трансформатором. Он преобразует постоянное напряжение с высоким коэффициентом мощности в высокочастотное импульсное напряжение прямоугольной формы, которое соответствует проектным требованиям. Четвертая часть — это выходная цепь, которая используется для выпрямления и фильтрации высокочастотного прямоугольного импульсного напряжения на выходе постоянного напряжения.Пятая часть — это схема управления. После разделения и выборки выходного напряжения оно сравнивается с опорным напряжением схемы и усиливается.

Шестая часть — это генератор частотных колебаний, который генерирует сигнал высокочастотного диапазона волн, который накладывается на управляющий сигнал для выполнения широтно-импульсной модуляции для достижения регулируемой ширины импульса. При высокочастотном колебании происходит преобразование мощности, поэтому суть импульсного источника питания заключается в преобразовании мощности.

Рисунок 2. Принципиальная блок-схема импульсного источника питания

1.3 Метод модуляции импульсного источника питания

Методы модуляции импульсного источника питания в основном включают три типа: PWM, PFM и PSM. Частота переключения режима широтно-импульсной модуляции (ШИМ) постоянна. Изменяя ширину импульса включения для изменения рабочего цикла, достигается управление выходной энергией, что называется расширением фиксированной частоты; Ширина импульса режима частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) постоянна.Регулируя частоту переключения, коэффициент заполнения изменяется таким образом, чтобы реализовать управление выходной энергией, что называется модуляцией с фиксированной шириной; ширина импульса в режиме модуляции с пропуском импульсов является постоянной, а выходная энергия регулируется выборочно с пропуском определенных рабочих циклов.

1.3.1 Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Режим модуляции PWM — это наиболее часто используемый метод управления в импульсных источниках питания. Сигнал обратной связи на стороне нагрузки сравнивается с пилообразной волной, генерируемой внутри, и выходной прямоугольный сигнал с постоянной частотой расширяется для управления трубкой переключателя, а время включения трубки переключателя регулируется в реальном времени в соответствии с состояние нагрузки для стабилизации выходного напряжения.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 3.

Рисунок 3.W orking P rinciple D iagram of PWM

В настоящее время режим управления ШИМ является наиболее часто используемым в импульсных источниках питания, и он имеет следующие преимущества: высокий КПД в случае большой нагрузки, хорошая скорость регулировки напряжения, высокая линейность, небольшая пульсация на выходе и пригодность. для режима управления током или напряжением.Но он также имеет следующие недостатки: слабая модуляция входного напряжения, плохие частотные характеристики и снижение КПД при небольшой нагрузке.

1.3.2 Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)

PFM — это метод модуляции, часто используемый в импульсных источниках питания. Путем сравнения сигнала обратной связи конца нагрузки с опорным сигналом выходной сигнал ошибки регулирует рабочую частоту, а затем выводит прямоугольный сигнал постоянной ширины и переменной частоты для управления трубкой переключателя и регулирует время включения трубка переключателя в реальном времени в соответствии с условиями нагрузки, тем самым стабилизируя выходное напряжение.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 4.

Рисунок 4 . Принцип работы PFM

1.3.3 Пропуск импульсов Modulatio n (PSM)

PSM — это новый метод управления импульсными источниками питания, который называется импульсной перекрестно-цикличной модуляцией. Сигнал обратной связи конца нагрузки преобразуется в цифровой уровень, а уровень сигнала обратной связи определяется по нарастающему фронту тактового сигнала, чтобы определить, следует ли работать в тактовом цикле, а время включения переключающей трубки регулируется для стабилизации. выходное напряжение.Его рабочая форма сигнала показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Принцип работы PSM

В настоящее время режим управления PSM используется для импульсных источников питания и имеет следующие преимущества: высокая скорость при небольшой нагрузке, высокая рабочая частота, хорошие частотные характеристики и меньшая частота переключения силовых трубок, подходящая для небольших ИС управления питанием. Однако он также имеет следующие недостатки: большая пульсация на выходе и слабая возможность регулировки входного напряжения.

1.4 Метод управления импульсным источником питания

Импульсные источники питания, которые мы обычно используем, основаны на режиме ШИМ, поэтому мы сосредоточимся на технологии управления в режиме ШИМ. Существует два основных типа технологии управления ШИМ: один — это технология управления ШИМ в режиме напряжения, а другой — технология управления ШИМ в текущем режиме.

1.4.1 ШИМ-контроллер в режиме напряжения

Импульсный источник питания изначально был основан на технологии PWM в режиме напряжения.Основной принцип работы показан на рисунке 6. Выходное напряжение Vo сравнивается с опорным напряжением для получения сигнала ошибки VE. Это напряжение ошибки сравнивается с пилообразным сигналом, генерируемым пилообразным генератором. Компаратор PWM выдает управляющий сигнал прямоугольной формы с изменением рабочего цикла. Это принцип работы технологии управления PWM в режиме напряжения.

Поскольку эта система представляет собой одноконтурную систему управления, ее самым большим недостатком является отсутствие сигнала обратной связи по току.Поскольку ток импульсного источника питания протекает через катушку индуктивности, соответствующий сигнал напряжения имеет определенную задержку. Однако для регулируемого источника питания необходимо постоянно регулировать входной ток, чтобы адаптироваться к изменению входного напряжения и требований нагрузки, тем самым достигая цели стабилизации выходного напряжения. Следовательно, недостаточно использовать метод выборки выходного напряжения, потому что реакция регулирования напряжения медленная. Даже при изменении сильного сигнала трубка переключателя мощности повреждается из-за колебаний, что является самым большим недостатком технологии управления ШИМ в режиме напряжения.

Рисунок 6. Принцип работы технологии ШИМ управления в режиме напряжения

1.4.2 ШИМ-контроллер текущего режима

Технология управления ШИМ в режиме тока была разработана из-за недостатков технологии управления ШИМ в режиме напряжения. Так называемое управление ШИМ в режиме тока заключается в прямом сравнении сигнала обнаружения тока выходной катушки индуктивности с выходным сигналом усилителя ошибки на входе компаратора ШИМ, чтобы реализовать управление рабочим циклом выходного импульса так, чтобы пиковый ток выходной дроссель следует за изменением напряжения ошибки.Этот метод управления может эффективно улучшить скорость регулирования напряжения и скорость регулирования тока импульсного источника питания, а также может улучшить переходную характеристику всей системы. Принцип работы технологии управления PWM в текущем режиме показан на рисунке 7.

Технология управления PWM в токовом режиме в основном делится на технологию управления пиковым током и технологию управления средним током. Две технологии управления обнаруживают и предоставляют обратную связь о пиковом значении и среднем значении изменения тока в течение одного периода проводимости.

Технология управления пиковым током: Управление режимом пикового тока напрямую управляет током индуктора на стороне пикового выхода, а затем косвенно регулирует ширину импульса ШИМ. Пиковый ток катушки индуктивности легко обнаружить и логически согласуется с изменением среднего тока катушки индуктивности. Однако пиковый ток индуктора не может быть во взаимно однозначном соответствии со средним током индуктора, потому что один и тот же пиковый ток индуктора может соответствовать разным средним токам индуктора с разными рабочими циклами и единственным фактором, определяющим значение выходного напряжения. — значение среднего тока катушки индуктивности.

Когда коэффициент заполнения системы ШИМ D> 50%, режим управления режимом пикового тока с фиксированной частотой имеет присущую нестабильность разомкнутого контура, и необходимо ввести соответствующую компенсацию наклона, чтобы устранить нарушение среднего тока катушки индуктивности из-за различных рабочих циклов и чтобы контролируемый пиковый ток индуктора в конечном итоге сходился к среднему току индуктора. Когда крутизна применяемого сигнала компенсации крутизны увеличивается до определенной степени, управление режимом пикового тока преобразуется в управление режимом напряжения.

Поскольку сигнал компенсации наклона полностью заменяется треугольной волной в колебательном контуре, он становится регулятором режима напряжения, но текущий сигнал в это время можно рассматривать как текущий сигнал прямой связи. Управление в режиме пикового тока представляет собой систему управления с двойным замкнутым контуром (внешний контур — это контур напряжения, а внутренний контур — это контур тока), а текущий внутренний контур мгновенно и быстро управляется в соответствии с импульсом за импульсом.При управлении с двойным контуром текущий внутренний контур отвечает только за динамическое изменение выходной катушки индуктивности, поэтому внешнему контуру напряжения необходимо только управлять выходным напряжением и не нужно управлять схемой накопления энергии. Следовательно, управление в режиме пикового тока имеет гораздо большую полосу пропускания, чем управление в режиме напряжения.

Рисунок 7. Принцип работы технологии ШИМ управления в токовом режиме

Метод контроля среднего тока: Контроль среднего тока требует определения тока катушки индуктивности, сигнала определения тока катушки индуктивности и заданного VE.После сравнения управляющий сигнал VC генерируется регулятором тока и сравнивается с сигналом пилообразной модуляции для генерации импульса ШИМ. Регуляторы тока обычно используют схему компенсации PI-типа и отфильтровывают высокочастотные компоненты в дискретизированном сигнале.

Сравнение двух технологий управления током: Технология управления пиковым током удобна и быстра, но требует компенсации стабильности; Технология управления средним током отличается стабильностью и надежностью, но скорость отклика ниже, а управление более сложным.Поэтому в практических приложениях режим управления пиковым током более распространен, чем режим управления средним током.

1.5 W orking M ode of S witching P ower S upply, использованный в качестве примера преобразователя fly , так называемый обратный ход означает, что первичная полярность трансформатора противоположна вторичной полярности, как показано на рисунке 8.Он состоит из переключающей лампы VT, выпрямительного диода D1, фильтрующего конденсатора C и развязывающего трансформатора. Если верхний конец первичной обмотки трансформатора положительный, верхний вторичный конец отрицательный, и переключающая трубка VT работает в режиме ШИМ. Обратный преобразователь имеет высокий КПД, простую схему и может обеспечивать несколько выходов, поэтому он получил широкое распространение.

Рисунок 8 . B asic C ircuit из Обратный ход C onverter

Обратный преобразователь PWM имеет два режима: постоянный ток и прерывистый ток.Для тока, протекающего через переключающую трубку первичной обмотки W1, его ток не может быть непрерывным, потому что ток переключающей трубки VT обязательно равен нулю после отключения.

Но в это время во вторичной обмотке W2 неизбежно возникает ток. Для обратного преобразователя постоянный ток означает, что суммарный ток двух обмоток преобразователя не равен нулю в течение одного цикла переключения, а прерывание тока означает, что синтетическая ампула равна нулю в течение периода выключения переключающей лампы VT.Когда ток является непрерывным, обратный преобразователь имеет два режима переключения, как показано на (a) и (b) на рисунке 9; и когда ток прерывается, обратный преобразователь имеет три режима переключения, как показано на (a) (b) (c) рисунка 9.

Рисунок 9. Эквивалентная схема в различных режимах переключения

1.5.1 Принцип работы обратноходового преобразователя при постоянном токе

Как показано на рисунке 9 (a), при t = 0 переключающий транзистор VT включается, и напряжение питания Vi подается на первичную обмотку трансформатора W ₁.В это время индуцированное напряжение во вторичной обмотке W ₂ отключает диод D ₁, и ток нагрузки подается от конденсатора фильтра C. В этот момент вторичная обмотка трансформатора разомкнута, только первичная обмотка работает, что эквивалентно катушке индуктивности. Индуктивность L ₁, первичный ток L _p линейно увеличивается от минимального значения I _Pmin, а скорость увеличения составляет: （1-2）

Когда t = T _на, ток I _p достигает максимума I _Pmax

(1-3)

Во время этого процесса сердечник трансформатора намагничивается, и его магнитный поток Φ также линейно увеличивается.Приращение потока Φ:

(1-4)

Как показано на рисунке 9 (b), когда t = T _на, переключающая трубка VT выключена, первичная обмотка разомкнута, и индуцированная электродвижущая сила вторичной обмотки меняет направление, чтобы включить диод D _{. 1}. Энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора, высвобождается через диод D ₁, заряжая конденсатор C, с одной стороны, и подает питание на нагрузку, с другой стороны.В этот момент работает только вторичная обмотка трансформатора, которая эквивалентна катушке индуктивности, а ее индуктивность составляет L ₂. Напряжение на вторичной обмотке составляет В _o, вторичный ток I _с линейно падает от максимального значения I _Smin и скорость его падения составляет:

(1-5)

При t = T ток I _s достигает минимального значения I _Smin

(1-6)

Во время этого процесса сердечник трансформатора размагничивается, и его магнитный поток Φ также линейно уменьшается.Величина уменьшения магнитного потока Φ составляет:

(1-7)

1.5.2 Basic R elationship of F lyback C onverter W hen C urrent I

При работе с регулируемым напряжением величина увеличения магнитного потока переключаемого сердечника обязательно равна величине уменьшения, когда переключатель VT выключен, то есть.Из формул (1-4) и (1-7) получаем:

(1-8)

В формуле — это соотношение витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Когда K ₁₂ = 1 ，

(1-9)

Напряжение, которому подвергается переключающая трубка VT при выключении, складывается из Vi и индуцированной электродвижущей силы в первичной обмотке W1, то есть

(1-10)

Когда напряжение источника питания V _i является постоянным, напряжение переключающего транзистора VT зависит от продолжительности включения D, поэтому значение максимальной продолжительности включения D _max должно быть ограничено.Напряжение диода D ₁ равно сумме выходного напряжения V и входного напряжения Vi, преобразованного во вторичное напряжение:

(1-11)

Ток нагрузки Io — это среднее значение тока, протекающего через диод D1:

(1–12)

В соответствии с принципом работы трансформатора устанавливаются следующие две формулы.

(1-13)

(1-14)

Из формулы (1-3) и формулы (1-12) в (1-14) мы можем получить:

(1-15)

(1–16)

I _Pmax и I _Smax — соответственно максимальные значения тока, протекающего через переключающую трубку VT и диод D ₁.

1.5.3 Принцип работы и основные отношения обратного преобразователя при прерывании тока

Формула (1-9) все еще работает, если критический ток постоянный. В это время максимальный ток первичной обмотки составляет I _Pmax, то есть ток нагрузки составляет

.
(1-17)
Критический постоянный ток нагрузки
(1-18)
Когда D = 0.5, I _oG достигает максимального значения
(1-19)
Тогда формулу (1-18) можно записать как ：
(1-20)
Формула (1-20) — критическая непрерывная граница тока индуктора.
Когда ток индуктора прерывается, это связано не только с рабочим циклом D, но и со значением тока нагрузки I _o.Предположим, что относительное время свободного хода I _с, мы можем получить, потому что величина увеличения и уменьшения магнитного потока сердечника равна одному циклу переключения. Итак,, и, то:
(1-21)
Формула
(1-21) показывает, что когда ток прерывается, выходное напряжение не только связано с рабочим циклом D, но также связано с величиной тока нагрузки I _o.Когда рабочий цикл D является постоянным, уменьшение тока нагрузки I _o может привести к увеличению выходного напряжения V _o.
В случае режима прерывания тока энергия, запасенная в первичной катушке индуктивности, зависит от пикового тока:
(1-22)
Энергия доставляется один раз за цикл,
(1-23)
Эта формула говорит нам, что после фиксированного входного напряжения только T может увеличить выходную мощность за счет уменьшения частоты переключения или уменьшения индуктивности.А если также выбрана частота переключения, то мощность можно увеличить только за счет уменьшения индуктивности. Однако фактическая индуктивность имеет минимальное значение, и обратный преобразователь, работающий в прерывистом режиме, имеет максимальный предел выходной мощности, обычно менее 50 Вт.

1.6 Краткое изложение
В этой главе в основном представлены основные принципы работы и рабочий процесс импульсного источника питания. Он также вводит режим модуляции импульсного источника питания.В настоящее время режим управления ШИМ является наиболее часто используемым в импульсных источниках питания. Он имеет следующие преимущества: высокий КПД при большой нагрузке, хорошее регулирование напряжения, высокая линейность и небольшая пульсация на выходе и подходит для режима управления током или напряжением. Следовательно, в этой конструкции будет использоваться модуляция ШИМ.
Существует два основных типа технологии управления ШИМ: один — это технология управления ШИМ в режиме напряжения, а другой — технология управления ШИМ в режиме тока.Поскольку метод управления током быстро реагирует на входное напряжение, в этой конструкции будет использоваться метод управления током.
В этой главе также описывается режим работы импульсного источника питания. Поскольку контур обратной связи в прерывистом режиме является стабильным, а мощность этой конструкции мала, принимается прерывистый режим.

Ⅱ Control D evices U sed in S witching P ower Slies upp.1 высокочастотный T преобразователь
2.1.1 Кривая намагничивания и петля гистерезиса

Рисунок 10 . Намагничивание C urve и H ysteresis L oop трансформатора T C ore

Как показано на рисунке 10, в качестве прямого и мостового преобразователей большинство из них работают в зонах 1 и 2.Характеристики этих двух зон: внешнее магнитное поле небольшое и процесс намагничивания обратимый. В зоне 1,. μ ₁ — начальная проницаемость. И явно линейно. Для силовых трансформаторов с низкой выходной мощностью и низкой частотой значение B при работе может быть рассчитано чрезвычайно точно. В зоне 2,. Здесь B — постоянная Рэлея, и эта область не была линейной.

Но процесс намагничивания по-прежнему обратим. Обычно для этих двух областей мы все еще используем приблизительную формулу для инженерных приложений:.Из-за обратимости прямой преобразователь почти не имеет гистерезиса (на самом деле, из-за технологического процесса и других причин, все еще существует необратимая намагниченность, но это относительно неочевидно). Для источника питания с одинаковым входом и выходом, если используются топологии прямого и обратного возбуждения, соответственно, эффективность прямого трансформатора должна быть выше, чем у обратного трансформатора, если рабочая частота одинакова.

Для обратноходового трансформатора рабочая зона — это зона 1, 2 и 3.Среди них зона 3 относится к зоне необратимого намагничивания. Эта область является основной областью формирования гистерезиса, поэтому обратный трансформатор имеет компонент потерь на гистерезис. Работает в среднем диапазоне магнитного поля. Даже если диапазон изменения магнитного поля невелик, изменение B очень существенно. Магнитная проницаемость быстро увеличивается и достигает максимального значения.

Эта область также является областью с максимальной магнитной проницаемостью. Очевидно, что магнитные проницаемости зоны 1, 2 и 3 не равны, но при расчете параметров трансформатора мы пользуемся формулой.Здесь μ _e — эффективная проницаемость, которая заставляет кривую B — H зоны 1,2 и 3 равняться отношению B и H, полученному по прямой линии. Следует отметить, что эта формула адаптирована для обратноходового преобразователя, работающего в режиме DCM. Обратные преобразователи, работающие в режиме CCM, должны использовать инкрементную проницаемость для точных расчетов. Расчет индуктивности накопления энергии в прямом преобразователе также считается используемым в режиме DCM с использованием μ _e и в режиме CCM с использованием инкрементной магнитной проницаемости.

Для петли максимального гистерезиса, если процесс намагничивания не может вернуться по первоначальному пути, неизбежно происходит потребление энергии. Мощность, потребляемая намагничиванием для одного круга, равна площади, окруженной кривой намагничивания. Чтобы снизить энергопотребление, мы всегда надеемся, что петля гистерезиса будет как можно более тонкой при выборе сердечника, потому что она больше похожа на прямую, пересекающую нулевую координату. При использовании формулы она ближе к реальной ситуации.Поскольку это приблизительная формула, а значение B _max магнитопровода уменьшается с повышением температуры, значение △ B необходимо оставить с запасом при проектировании трансформатора. (Режим DCM обычно не должен превышать 2/3 своего номинального значения B _max.

Следует отметить, что это значение соответствует максимальной температуре, при которой продукт может работать). Если запас небольшой, необходимо учитывать ограничение по току максимальной токовой защиты источника питания.Обычно, когда правильно спроектированный источник питания работает без обратной связи в полном диапазоне входного напряжения при полной нагрузке, сердечник трансформатора не насыщается.

Для трансформатора, если все вторичные обмотки не подключены, первичная обмотка эквивалентна катушке индуктивности, и весь ток, протекающий через первичную обмотку, намагничивается. В состоянии постоянного тока трансформатор эквивалентен короткозамкнутому компоненту и не может передавать энергию. Когда ток намагничивания велик, трансформатор будет насыщен.В это время резко падает эффективность передачи энергии. В реальных технических измерениях все другие обмотки обычно закорачивают для измерения при измерении индуктивности рассеяния определенной обмотки.

Когда вторичная обмотка разомкнута, первичный ток является током возбуждения. Индуктивность первичной обмотки соответствующей вторичной разомкнутой цепи может быть приблизительно выражена как индуктивность намагничивания. Для фиксированного трансформатора ток возбуждения в основном определяется напряжением, приложенным к первичной обмотке, а индуктивность намагничивания является реальной индуктивностью.Идеальный трансформатор — это просто черный ящик, передающий энергию.

Для прямого трансформатора и преобразователя, работающего как прямой трансформатор, необходим магнитный сброс, и индуктивность намагничивания пропускается через схему сброса для достижения баланса вольт-секунда. Обратный источник питания не требует магнитного сброса, потому что процесс обратного преобразователя сам по себе является процессом магнитного сброса. Существует несколько распространенных схем сброса, таких как LC-резонансный сброс, RC- или RCD-сброс, активный фиксатор и сброс с одной обмоткой.

2.1.2 Контроль воздушного зазора

Обратный трансформатор — это, по сути, катушка индуктивности. Весь его ток — это ток возбуждения. Формула накопления энергии индуктора:. Чтобы увеличить запас энергии, кажется, есть два пути: во-первых, увеличить индуктивность (то есть увеличить количество витков). Таким образом, объем трансформатора будет значительно увеличен. Другая проблема заключается в том, что поскольку магнитопровод постоянен, максимальный рабочий ток неизбежно уменьшается, поэтому неразумно увеличивать индуктивность для увеличения накопления энергии.Второй — увеличить рабочий ток. Текущие требования к накоплению энергии магнитного сердечника возрастают, что в конечном итоге приводит к увеличению общего накопления энергии сердечника.

Хотя магнитная проницаемость после открытия воздушного зазора меньше, чем магнитная проницаемость, когда воздушный зазор не открыт, напряженность магнитного поля (которая пропорциональна току), достигающая магнитного насыщения магнитопровода, значительно увеличивается. Это способствует накоплению большего количества энергии.

Увеличение сопротивления после воздушного зазора увеличивает рассеивание магнитного потока, особенно вокруг воздушного зазора. Если необходимо уменьшить индуктивность рассеяния, катушку можно намотать непосредственно на воздушный зазор, но катушка вокруг воздушного зазора будет находиться в сильном изменяющемся магнитном поле, и в проводе будет генерироваться локальный вихревой ток, и эмалированный провод пригорает и обесцвечивается через долгое время. Для сердечника из порошкового железа с дисперсными воздушными зазорами лучший способ уменьшить индуктивность рассеяния — это равномерно и равномерно обернуть весь сердечник.Ниже приводится формула расчета воздушного зазора трансформатора.

Во-первых, по закону Ома магнитопровода:

(2-1)

N — количество витков катушки, R _m — магнитное сопротивление, NI — магнитный потенциал (аналогичный электродвижущей силе), и — магнитный поток.

Закон петли Ампера: подставляем его в формулу (2-1) и получаем:

(2-2)

(2-3)

(2-4)

(2-5)

Теперь мы можем получить формулу магнитосопротивления:

(2-6)

Из магнитного пути открытого воздушного зазора мы можем узнать, что полное сопротивление равно сумме сопротивления материала и сопротивления воздушного зазора.Поскольку магнитная проницаемость материала намного больше, чем магнитная проницаемость воздушного зазора. Следовательно, магнитное сопротивление материала намного меньше, чем магнитное сопротивление воздушного зазора, поэтому магнитное сопротивление материала не учитывается.

(2-7)

Из формулы накопления энергии индуктора:

(2-8)

Из закона петли Ампера:

(2-9)

Мы экспортируем:

(2-10)

мкм ₀ — вакуумная проницаемость

I — первичный пиковый ток

B — значение магнитной индукции при номинальном режиме работы

S _e — эффективная площадь поперечного сечения A _e

2.1.3 Контроль индуктивности утечки

Рисунок 11. Распределение F люкс L чернил в A ctual T преобразователь

На рисунке 11 показан двухобмоточный трансформатор, N _p является первичным, а N _s вторичным. — это магнитный поток, который первично связан с вторичным, и магнитные потоки, которые не связаны друг с другом, то есть индуктивность рассеяния.Из-за наличия индуктивности рассеяния первичной обмотки энергия будет передана вторичной обмотке через некоторое время. На практике трансформатор имеет два метода намотки: метод последовательной намотки и метод многослойной намотки. Эти два метода намотки по-разному влияют на электромагнитные помехи и индуктивность рассеяния. Метод последовательной намотки обычно имеет индуктивность рассеяния около 5% от индуктивности, но поскольку первичная и вторичная обмотки имеют только одну контактную поверхность, а емкость связи мала, EMI лучше.

Метод сэндвич-обмоток обычно имеет индуктивность рассеяния примерно от 1% до 3% от индуктивности. Последовательность намотки многослойной намотки обычно сначала первичная, затем от одной секунды до одной трети вторичной. И чем меньше соотношение сторон, тем меньше индуктивность рассеяния трансформатора. Однако, поскольку первичная и вторичная обмотки имеют только две контактные поверхности, а емкость связи велика, электромагнитные помехи возникают относительно сложно. Обычно, когда мощность ниже 30 ~ 40 Вт, энергия утечки приемлема, поэтому чаще используется метод последовательной намотки.Когда мощность превышает 40 Вт, энергия индуктивности рассеяния велика, и, как правило, можно использовать только метод сэндвич-намотки.

2.1.4 A анализ C ontrol P процесс F lyback P ower

В блоке питания с обратным ходом первичный и вторичный ток фактически не изменяются.Теоретически ток первичной обмотки и ток вторичной обмотки плавно изменяются посредством магнитной связи, и ток каждой обмотки может изменяться, но на самом деле никаких изменений нет. Подробный рабочий процесс выглядит следующим образом: после выключения МОП первичный ток заряжает выходной МОП конденсатор и паразитную емкость трансформатора (на самом деле паразитная емкость является разрядом. Для упрощения описания она описывается в совокупности. как зарядка), а затем напряжение на клеммах DS трубки переключателя резонансно возрастает.Поскольку ток очень велик, значение Q в резонансном контуре очень мало, так что в основном это линейный рост.

Когда напряжение на клемме DS повышается до тех пор, пока напряжение на вторичной обмотке не достигнет суммы выходного напряжения и напряжения выпрямителя, вторичная обмотка должна быть включена. Однако из-за влияния индуктивности рассеяния вторичной обмотки напряжение будет расти, чтобы преодолеть влияние индуктивности рассеяния вторичной обмотки, так что напряжение, отраженное в первичную обмотку, также немного выше, чем нормальное отраженное напряжение.В таких условиях вторичный ток начинает расти, а первичный ток начинает уменьшаться. Но не забывайте об индуктивности рассеяния первичной обмотки. Поскольку он не может быть связан, его энергия должна высвобождаться. В это время индуктивность рассеяния, выходная емкость МОП и паразитная емкость трансформатора резонируют, напряжение высокое и формируются несколько колебаний.

Энергия потребляется в цепи зажима. Следует отметить, что ток индуктивности рассеяния всегда идет последовательно с первичным током, поэтому процесс снижения тока утечки является процессом увеличения вторичного тока.А процесс снижения тока утечки определяется разницей между напряжением на конденсаторе цепи зажима и отраженным напряжением. Чем больше разница, тем быстрее падение. Чем быстрее процесс преобразования, тем очевиднее эффективность, и процесс преобразования представляет собой процесс суперпозиции напряжения и тока.

При использовании RC для поглощения, поскольку разница между напряжением на C и отраженным напряжением не слишком велика в установившемся режиме, процесс преобразования медленный, а эффективность низкая.При использовании TVS для поглощения допустимое напряжение и отраженное напряжение сильно различаются, поэтому преобразование происходит быстро, а эффективность высока. Конечно, RC потребляет больше энергии, чем TVS, но он дешевле.

Когда источник питания использует УЗО в качестве контура поглощения, во время процесса установки вторичного тока напряжение постоянного тока, приложенное к конденсатору, отсутствует и превышает это напряжение.

Энергия, поглощаемая контуром поглощения УЗО, состоит из двух частей: одна — это энергия индуктивности рассеяния, а другая — накопитель энергии первичной индуктивности.Если постоянная времени RC составляет от 1/10 до 1/5 периода переключения, потери будут большими, и в процессе обратного хода вторичная энергия будет поглощаться в большом количестве, что приведет к снижению энергоэффективности.

2.1.5 Конструкция A Поглощение C ontrol C Схема

Звон в лампе переключателя и на выходном выпрямителе будет в каждом источнике питания. Перенапряжение, вызванное чрезмерным звонком, может вызвать повреждение устройства и вызвать проблемы с высокочастотными электромагнитными помехами или нестабильность контура.Решение обычно состоит в том, чтобы добавить петлю абсорбции RC.

Сначала измерьте частоту вызывного сигнала с помощью осциллографа без добавления поглощающей цепи при небольшой нагрузке. Не забудьте использовать пробник с малой емкостью, потому что емкость пробника приведет к изменению частоты вызывного сигнала, и результат проектирования не будет точным. Во-вторых, лучше измерять частоту вызывного сигнала при наивысшем рабочем напряжении, потому что частота вызывного сигнала будет меняться с увеличением напряжения, что в основном связано с изменением выходной емкости МОП или диода с изменением напряжения.

Причина звонка — колебания эквивалентной цепи RLC. Для схемы с малыми потерями это колебание может длиться несколько циклов. Чтобы предотвратить это колебание, мы должны сначала знать параметр этого колебания. Для MOS индуктивность рассеяния — это основная индуктивность, вызывающая колебания, и это значение можно измерить. Для диода емкость является основным фактором, который можно определить по инструкции. Чтобы вычислить его полное сопротивление: если мы знаем L, то; если мы знаем C,.Попробуйте сначала R = Z, обычно этого достаточно для контроля звонка. Однако потери могут быть высокими, и конденсатор необходимо подключить последовательно, чтобы уменьшить потери мощности в демпфирующей цепи в это время. Значение C можно рассчитать следующим образом:. Увеличение значения C приведет к увеличению потерь и усилению демпфирующего эффекта. Уменьшение значения C приведет к уменьшению потерь и ослаблению эффекта демпфирования. Потеря сопротивления составляет:. На практике некоторые корректировки производятся на основе расчетного значения в соответствии с экспериментом.

2.1.6 Контроль электромагнитных помех трансформатора

В силовых трансформаторах малой мощности обычно используются экранирующие слои двух типов: медная фольга и обмотки. Принцип медной фольги заключается в том, чтобы отрезать путь паразитной емкости между первичной и вторичной обмотками, так что все они образуют емкость относительно земли, а экранирующий эффект превосходен. но процесс будет немного сложнее, а стоимость увеличится. Экраны обмоток работают по двум принципам: отсекают путь конденсатора и уравновешивают электрическое поле.Следовательно, витки, направление намотки и положение обмотки имеют большое влияние на результаты EMI.

Вкратце, есть один момент: напряжение, индуцированное экранирующей обмоткой, противоположно направлению напряжения при работе экранированной обмотки. Положение обмотки экрана оказывает большое влияние на энергопотребление источника питания в режиме ожидания. Экранирование электромагнитных помех может быть подключено к исходному заземляющему проводу или к высоковольтному концу исходной стороны.

В EMI почти нет разницы, потому что есть высоковольтный конденсатор и синфазный сигнал вверх и вниз (как правило, в нем преобладают синфазные помехи после того, как он превышает 1 МОм), является эквипотенциальным. Внешний экран трансформатора можно отсоединить или подключить к первичной массе. Влияние на электромагнитные помехи зависит от внутреннего состояния обмотки. Обратите внимание на проблему безопасности. Подключенный к проводу заземления первичной обмотки, магнитопровод является первичным, то есть магнитопровод находится на первичной стороне, и следует учитывать безопасное расстояние между первичной и вторичной сторонами.

Обмотка экрана влияет на работу трансформатора. Чтобы играть важную роль, экранирующая обмотка обычно располагается близко к первичной обмотке, так что она образует конденсатор с первичной обмоткой. Обмотка экрана обычно подключается к первичной массе или высокому напряжению. Этот конденсатор эквивалентен стороне D-S, подключенной к MOS, и, очевидно, вызывает большие потери при включении, а также влияет на энергопотребление в режиме ожидания. Конечно, добавление экранирования также увеличит индуктивность рассеяния.

В экранировании Фарадея обычно используются тонкие медные листы, которые не могут образовывать петлю. Экран первичной стороны должен быть подключен к первичной стороне, или прямолинейный конденсатор должен быть подключен к первичной стороне. Экран вторичной стороны должен быть подключен к вторичной стороне. Что касается способа подключения, лучше всего вынуть из меди точку, чтобы исключить индуктивность. В целях безопасности экран следует заземлить. Номинальный ток экрана, подключенного к земле, должен быть как минимум больше, чем значение тока силового предохранителя.

Для магнитопровода с воздушным зазором используется внешний экран. Ширина щита очень привередлива и принцип очевиден. Если номинальный ток предохранителя защитного экрана меньше или равен силовому предохранителю, предохранитель защитного экрана может первым выйти из строя в случае короткого замыкания и не может работать как защитный экран. Что касается внешнего экранирования, мы должны в первую очередь соблюдать требования техники безопасности. При такой посылке, конечно, будет лучше, если она будет шире, но это также увеличит стоимость.Нам просто нужно соединить две половинки сердечника. На практике экранированная медная полоса часто находится в прямом контакте с сердечником.

2. 2 Основная трубка питания
Основная трубка питания, используемая для управления, обычно представляет собой полевой МОП-транзистор, а окружающие его компоненты являются паразитными компонентами, что серьезно влияет на работу МОП как переключателя. В качестве переключающего элемента основное внимание уделяется тому, чтобы время включения и выключения было достаточно коротким, чтобы работать между минимальным сопротивлением и максимальным сопротивлением, чтобы снизить энергопотребление.Фактическое время переключения обычно составляет 10–100 мкс, в то время как период переключения источника питания составляет 20–200 мкс. Время переключения также в основном определяется временем заряда и разряда его паразитной емкости. И CGD, и CDS зависят от напряжения стока и не являются линейными.
Еще одним важным паразитным параметром является сопротивление затвора, которое напрямую влияет на время включения переключателя, и этот параметр не предусмотрен в общей спецификации. Значение управляющего напряжения затвора обычно указывается в спецификации как значение 25 ° C.Фактически, напряжение домена затвора изменяется с отрицательным температурным коэффициентом -7 мВ / ° C.
Также есть два важных паразитных параметра: индуктор истока и индуктор стока. Стоимость паразитного индуктора в основном зависит от формы корпуса МОП-трубки. Типовые значения приведены в спецификации.
2.3 Основная микросхема управления
Основная часть импульсного источника питания состоит в основном из микросхемы прецизионного сравнения напряжения, микросхемы ШИМ, переключающей трубки, приводного трансформатора и главного переключающего трансформатора.Микросхема прецизионного сравнения напряжения сравнивает напряжение обратной связи выходной части постоянного тока с опорным напряжением, а микросхема ШИМ регулирует скважность переключающей трубки через приводной трансформатор в соответствии с результатом сравнения, тем самым управляя энергией, выводимой на часть постоянного тока. главного переключающего трансформатора для реализации регулируемого выхода.
Метод управления с обратной связью PWM можно разделить на тип тока и тип напряжения. Обычно используемый UC3842 является режимом управления текущего типа, и его внутренняя блок-схема показана на рисунке 12.

Рисунок 12. Внутренняя блок-схема UC3842
UC3842A — это высокопроизводительный регулятор тока с фиксированной частотой, предназначенный для автономных приложений и преобразователей постоянного тока. Это наиболее часто используемый и наиболее типичный чип управления ШИМ. Эти интегральные схемы оснащены регулируемым генератором для точного контроля рабочего цикла, опорными сигналами с температурной компенсацией и усилителями ошибок с высоким коэффициентом усиления. Компаратор выборки тока и сильноточный выход на тотемный полюс идеально подходят для управления силовыми полевыми МОП-транзисторами.
Другие функции защиты включают в себя блокировку входного и опорного пониженного напряжения, каждая из которых имеет гистерезис, ЦИКЛ ЗА ЦИКЛОМ ограничение тока, программируемое мертвое время выхода и фиксацию измерения одиночного импульса. Эти устройства доступны в 8-контактных пластиковых корпусах с двойным расположением выводов и 14-контактных пластиковых корпусах для поверхностного монтажа (SO-14). Выходной каскад на тотемных полюсах в корпусе SO-14 имеет отдельные выводы питания и заземления. Пороги блокировки низкого напряжения 16 В (вкл.) И 10 В (выкл.) UC3842A идеальны для автономных преобразователей.UCX843A разработан для систем низкого напряжения с порогом блокировки низкого напряжения 8,5 В (вкл.) И 7,6 В (выкл.) И имеет следующие характеристики:
1. Точно настроенный ток разряда генератора для точного управления рабочим циклом
2. Токовый режим работает до 500 кГц
3. Фиксирующая широтно-импульсная модуляция, которая может ограничивать текущий цикл циклом
4. Внутренне регулируемое опорное напряжение с блокировкой пониженного напряжения
5. Сильноточный выход на тотемный полюс
6.Блокировка минимального напряжения с гистерезисом
7. Низкий пусковой и рабочий ток
2.3.1 Функция D регистрация E каждый C контроль M модуль
Осциллятор: частота определяется значениями выбора временных элементов RT и CT. Конденсатор CT заряжается опорным напряжением 0,5 В через резистор RT примерно до 2,8 В, а затем разряжается внутренним стоком тока до 1.2В. Во время разряда ТТ генератор генерирует внутренний импульс гашения, чтобы поддерживать средний вход логического элемента ИЛИ-НЕ на высоком уровне, что приводит к низкому уровню выходного сигнала и обеспечивает контролируемую величину мертвого времени выхода. Следует отметить, что, хотя многие значения R и c могут давать одну и ту же частоту генератора, существует только одна комбинация, которая дает конкретное выходное мертвое время на данной частоте. Во многих приложениях, чувствительных к шуму, частота преобразователя может быть привязана к внешним системным часам.Для конкретного управления тактовым сигналом, пожалуйста, обратитесь к таблице данных.
Усилитель ошибки: он обеспечивает полностью компенсированный усилитель ошибки с доступным инвертирующим входом и выходом. Этот усилитель имеет типичное усиление по постоянному напряжению 90 дБ и коэффициент усиления 10 МГц с запасом по фазе 57 градусов при ширине полосы 1. Неинвертирующий вход имеет внутреннее смещение 2,5 В и не вытягивается штифтом. Обычно выходное напряжение преобразователя делится резисторным делителем и контролируется инвертирующим входом.Максимальный входной ток смещения составляет -2 мкА, что приведет к ошибке выходного напряжения. Последний равен входному току смещения и является произведением эквивалентного сопротивления источника входного делителя.
Выход усилителя ошибки (контакт 1) используется для компенсации внешнего контура. Выходное напряжение смещено примерно на 1,4 В из-за падения напряжения на двух диодах и делится на три части перед подключением к инвертирующему входу компаратора выборки тока.Это гарантирует отсутствие импульсов возбуждения на выходе (вывод 6), когда вывод 1 находится в самом низком состоянии, что происходит, когда источник питания работает и нагрузка отключена, или в начале процесса плавного пуска схемы.
Компаратор выборки тока и защелка широтно-импульсной модуляции: UC3843A работает как контроллер токового режима. Когда выходной переключатель включен генератором и пиковый ток катушки индуктивности достигает порогового уровня, установленного выходной компенсацией усилителя ошибки (вывод 1), сигнал ошибки управляет пиковым током катушки индуктивности на еженедельной основе.Конфигурация защелки с широтно-импульсной модуляцией, используемый компаратор выборки тока гарантирует, что только один одиночный импульс появляется на выходе в течение любого заданного периода генератора, а ток катушки индуктивности преобразуется в напряжение путем включения заземленного резистора выборки RS последовательно с источник выходного переключателя. Это напряжение контролируется входом выборки тока (вывод 3) и сравнивается с уровнем на выходе усилителя ошибки. В нормальных условиях эксплуатации пиковый ток индуктора контролируется напряжением на выводе 1, где:
(2-11)
Ненормальные рабочие условия будут возникать при перегрузке выхода источника питания или при потере выборки выходного напряжения.В этих условиях порог компаратора выборки тока будет внутренне ограничен до 1 В.
При разработке импульсного регулятора большой мощности внутреннее напряжение в баке может быть уменьшено до разумного уровня, чтобы сохранить потребляемую мощность RS. Однако чрезмерное снижение напряжения фиксации приведет к ошибочной работе из-за захвата шума, и обычно можно наблюдать узкий всплеск на переднем фронте формы волны тока. Если выходная нагрузка мала, это может вызвать нестабильность мощности.Этот резкий импульс генерируется из-за межвитковой емкости силового трансформатора и времени восстановления выходного выпрямителя. Добавление RC-фильтра к входу дискретизации тока приводит к тому, что его постоянная времени приближается к длительности всплеска, что обычно устраняет нестабильность.
Выход
: Устройство ШИМ модели 3842 имеет выходной каскад с одним полюсным выводом, специально разработанный для непосредственного управления силовым полевым МОП-транзистором. Он обеспечивает пиковый ток возбуждения до 1 А и типичное время нарастания и спада 50 нс при нагрузке 1 нФ.В корпусе SO-14 для поверхностного монтажа предусмотрены отдельные контакты для VC (напряжения питания) и заземления. Соответствующее приложение может значительно снизить коммутационный переходной шум, воздействующий на цепь управления, и источник питания и заземление управления должны быть правильно подключены.
2.3.2 Меры предосторожности для P eripheral C ontrol C ircuit D esign
Штырь
(корпус с 8 выводами)
Функция
Описание
1
Компенсация
Выход усилителя ошибки для компенсации контура
2
Обратная связь по напряжению
Инвертирующий вход усилителя ошибки, выборка выходного напряжения
3
Текущая выборка
На этот вывод подается напряжение, пропорциональное току катушки индуктивности, и для управления выходом сравниваются сигналы ШИМ и внутренней ошибки.
4
RT / CT
К этому выводу подключаются колебательный конденсатор и резистор.
5
Земля
Это общая земля всего ШИМ
6
Выход
Тотемный выход для прямого привода внешнего MOS
7
VCC
Положительный источник питания для IC
8
VREF
Опорное напряжение SV внутри микросхемы, точность 1%, может выдавать ток 20 мА
Таблица 1 . Описание функций F из E ach P в UC3842
Для предотвращения дрожания ширины импульса необходимо использовать высокочастотную схему компоновки. Обычно он добавляется к входу выборки тока или обратной связи по напряжению, и возникает чрезмерный шум. Подавление шума может быть усилено за счет уменьшения импеданса цепи в этих точках. Компоновка печатной платы должна включать в себя заземляющую пластину с только слабым токовым сигналом, в то время как сильноточный переключатель и выходное заземление возвращаются к конденсатору входного фильтра по отдельному пути.
В соответствии со схемой, керамический байпасный конденсатор (0,1 мкФ) обычно требуется для прямого подключения к Vcc и Vref. Это обеспечивает тракт с низким импедансом, который отфильтровывает высокочастотный шум. Все сильноточные петли должны быть как можно короче и могут уменьшить излучаемые электромагнитные помехи за счет использования крупнозернистой медной фольги. Схема компенсации усилителя ошибки и выходной делитель преобразователя должны быть ближе к интегральной схеме и как можно дальше от переключателя питания и других компонентов, генерирующих шум.
Преобразователь режима тока работает при условии, что коэффициент заполнения превышает 50%, а постоянный ток индуктора будет генерировать субгармонические колебания. В это время необходимо добавить схему компенсации крутизны, чтобы весь блок питания работал стабильно.

2,4 G eneration и T передача из Control S ignal
2.4.1 Сигнал T передача в I solation
С быстрым развитием электронных компонентов линейность оптопар становится все выше и выше, и оптопары являются наиболее широко используемыми устройствами развязки и защиты от помех в импульсных источниках питания. Оптический соединитель (OC) также известен как оптоизолятор или оптрон, называемый оптопарой. Это устройство, которое передает электрические сигналы с помощью света.
Как правило, осветитель (инфракрасный светодиодный светодиод) и светоприемник (светочувствительная полупроводниковая трубка) упаковываются в одну и ту же упаковку. Когда на входной вывод подается питание, осветитель излучает свет, и после получения света фоторецептор генерирует фототок, который течет с выходного конца, тем самым реализуя «электрическое оптико-электрическое» преобразование. Оптопара, которая связывает входной сигнал с выходным концом со светом в качестве среды, широко используется в схемах из-за своего небольшого размера, длительного срока службы, отсутствия контакта, сильной помехоустойчивости, изоляции между выходом и входом, односторонней передачи сигнала. , так далее.
Из-за своей нелинейности типичная оптопара ограничена изолированной передачей слабых сигналов на более высоких частотах. Обычная оптопара может передавать только цифровые (коммутационные) сигналы и не подходит для передачи аналоговых сигналов. Линейные оптопары, представленные в последние годы, способны передавать непрерывно изменяющиеся аналоговые или аналоговые токовые сигналы, что расширяет область их применения.
Основным преимуществом оптопары является односторонняя передача сигнала, полная гальваническая развязка между входом и выходом, сильная защита от помех, длительный срок службы и высокая эффективность передачи.Оптопара имеет большое сопротивление изоляции (около 10 ¹² Ом) и небольшой изолирующий конденсатор (около нескольких пФ). Оптопара, работающая в линейном режиме, добавляет управляющее напряжение на вход оптопары, которое пропорционально создает напряжение на выходе для дальнейшего управления следующим этапом схемы. Линейная оптопара состоит из светодиода и фототранзистора.
Когда светодиод включен и излучает свет, значит, включен фототранзистор.Оптопара — это токовый тип, и для включения светодиода требуется достаточно большой ток. Если входной сигнал слишком мал, светодиод не включается, и его выходной сигнал будет искажен. В импульсном источнике питания цепь обратной связи оптопары может быть построена с использованием линейной оптопары, а коэффициент заполнения изменяется путем регулировки тока управляющего вывода для достижения цели точного регулирования напряжения.
Технические параметры оптопары в основном включают прямое падение напряжения на светодиодах VF, прямой ток IF, коэффициент передачи тока CTR, сопротивление изоляции между входным каскадом и выходным каскадом и напряжение обратного пробоя коллектор-эмиттер V (BR) _CEO, коллектор- падение напряжения насыщения эмиттера V _CE (sat).Кроме того, при передаче цифровых сигналов необходимо учитывать такие параметры, как время нарастания, время спада, время задержки и время хранения.
Коэффициент передачи тока обычно выражается как коэффициент передачи постоянного тока. Когда выходное напряжение остается постоянным, оно равно процентному отношению выходного постоянного тока IC к входному постоянному току IF. Диапазон CTR оптопары, использующей фототранзистор, обычно составляет 20–300% (например, 4N35), в то время как оптопары Дарлингтона (например, 4N30) могут достигать 100–5000%.
Это означает, что последний требует меньшего входного тока, если вы хотите такой же выходной ток. Следовательно, параметры CTR имеют некоторое сходство с HFE транзистора. Характеристическая кривая CTR-IF обычного оптического ответвителя является нелинейной, и нелинейные искажения особенно серьезны, когда IF мала, поэтому она не подходит для передачи аналогового сигнала. Характеристическая кривая CTR-IF линейного оптопары имеет хорошую линейность, особенно при передаче слабых сигналов.Его коэффициент передачи переменного тока очень близок к значению CTR, которое представляет собой коэффициент передачи постоянного тока. Следовательно, он подходит для передачи аналоговых сигналов напряжения или тока, обеспечивая линейную зависимость между выходом и входом.
Оптопары используются в первую очередь для обеспечения изоляции между входными и выходными цепями. При проектировании схемы необходимо соблюдать следующие принципы: Выбранное устройство оптопары должно соответствовать национальным и международным стандартам напряжения пробоя изоляции:
Для правильного выбора типа и параметров линейного оптического ответвителя в изоляции импульсного источника питания и конструкции импульсного источника питания с обратной связью оптопары необходимо соблюдать следующие принципы: допустимый диапазон коэффициента передачи тока ( CTR) оптопары составляет 50% — 200%.
Это связано с тем, что при CTR <50% светодиоду в оптопаре требуется большой рабочий ток (IF> 5 мА) для правильного управления рабочим циклом монолитной ИС импульсного источника питания, что увеличивает энергопотребление оптопары. Если CTR> 200%, при запуске схемы или при изменении нагрузки возможно ложное срабатывание однокристального импульсного источника питания, влияющее на нормальный выход; Если схема усилителя используется для управления оптопарой, она должна быть тщательно спроектирована для компенсации температурной нестабильности и дрейфа ответвителя; Рекомендуется использовать линейный оптрон, поскольку он характеризуется линейной регулировкой значения CTR в определенном диапазоне.
Оптрон, использованный выше, работает в линейном режиме. Управляющее напряжение подается на входной конец оптопары, и напряжение для дальнейшего управления схемой следующего каскада пропорционально генерируется на выходном конце, а управление регулировкой с обратной связью выполняется для стабилизации выхода источника питания.
2.4.2 Создание E rror C ontrol S ignals
TL431 имеет трехконтактный регулируемый шунтирующий источник опорного напряжения с хорошей термостабильностью.Его можно использовать в качестве опорного усилителя с программируемым низкотемпературным коэффициентом. Его выходное напряжение может быть произвольно установлено на любое значение от Vref (2,5 В) до 36 В с двумя резисторами, что позволяет снизить ток от 1 до 100 мА. Типичное динамическое сопротивление устройства составляет 0,2 Ом. Внутри TL431 находится опорное напряжение 2,5 В, поэтому его опорное входное напряжение может быть обеспечено частичным напряжением выходного напряжения постоянного тока, что позволяет ему хорошо работать. Он имеет очень низкий выходной шум и температурный коэффициент всего 50 ppm / C.Он идеально подходит для использования в качестве эталонного источника питания.
Схема выборки сравнивает полученный выходной сигнал с источником опорного напряжения 2,5 В внутри TL431 для генерации сигнала усиления ошибки и в это время преобразует сигнал выходного напряжения в сигнал тока. Согласно характеристикам операционного усилителя, только когда напряжение на выводе REF (синфазный вывод) немного выше 2,5 В, через триод будет проходить стабильный ненасыщенный ток.Более того, при небольшом изменении напряжения на выводе REF ток через последовательно соединенный транзистор будет изменяться от 1 до 100 мА. Так что TL431 — это ни в коем случае не стабилитрон, а настоящая микросхема.
2.4.3 Реализация замкнутого контура управления с отрицательной обратной связью
Для схемы, показанной на рисунке 13, необходимо определить значения R1, R2, R3 и R4. Пусть выходное напряжение составляет 5 В, а выпрямленное выходное напряжение вспомогательной обмотки — 12 В.Схема использует выходное напряжение для сравнения с опорным напряжением, сформированным TL431, и управляет выводом COMP ШИМ посредством изменения тока фотодиода-транзистора PC817, тем самым изменяя ширину ШИМ и достигая цели стабилизации выходного напряжения. . Поскольку управляемый объект — это ШИМ, первое, что нужно выяснить, — это характеристики управления ШИМ. Связь между Vcomp и Icomp известна из спецификации PWM. Это видно из рисунка 14.

Рисунок 14. Линейная рабочая зона ШИМ
Видно, что ток Icomp должен быть между 810 мкА и 822 мкА, а ШИМ будет изменяться линейно. Следовательно, ток Ice транзистора PC817 также должен изменяться в этом диапазоне. Пока Ice управляется током диода If, мы можем правильно определить прямой ток If диода PC817 по соотношению между Ice и If PC817. Из рисунка 15 видно, что когда прямой ток If диода PC817 составляет около 8 мА, ток коллектора Ice триода изменяется примерно на 810 мкА, а напряжение коллектора Vce может линейно изменяться в широком диапазоне, как показано на рисунке 16.

Рисунок 15. Характеристика C urve PC817

Рисунок 16. Связь между O выходным напряжением В и током C PC817
Отвечает требованиям управления ШИМ. Следовательно, можно определить, что прямой ток диода PC817 IF равен 8 мА. После определения прямого тока оптопары можно определить значение сопротивления токоограничивающего резистора R1:
(2–12)
Назначение параллельного резистора R2 — подавать ток смещения на TL431.TL431 требует, чтобы рабочий ток был не менее 1 мА, то есть, когда ток диода оптопары имеет минимальное значение срабатывания, TL431 также должен быть не менее 1 мА. Поскольку анод TL431 имеет напряжение не менее 2,5 В, по приблизительным оценкам R2 <= 2,5 В / 1 мА = 2,5 К.
Кроме того, это еще и соображение энергопотребления. Здесь мы выбираем 2K, и есть два фактора, которые следует учитывать при значении R3:
1) Ток опорной входной клеммы TL431 обычно составляет около 2 мкА.Чтобы избежать влияния этого тока на клеммах на коэффициент парциального давления и влияние шума, ток, протекающий через резистор R3, обычно в 100 или более раз превышает ток опорного сегмента. Следовательно, сопротивление должно быть меньше 2,5 В / 200 мкА = 12,5.
2) Требования к потребляемой мощности в режиме ожидания. Если требуется попытаться взять большое значение при <12,5 КБ, мы выбираем здесь 2,5 КБ. Поскольку выходное напряжение составляет 5 В, R4 также выбирает 2,5 К.
2.5 Резюме
Основная работа данной главы — познакомить с устройствами управления, используемыми в конструкции, высокочастотными трансформаторами, основными силовыми лампами и основными управляющими микросхемами. Также представлены процесс управления обратным источником питания и конструкция схемы управления абсорбцией. В этой главе подробно рассматривается процесс генерации и передачи управляющего сигнала.

Ⅲ FAQ
1. Как работает импульсный блок питания?
«Переключатель» в импульсном источнике питания на самом деле представляет собой полупроводник — полевой МОП-транзистор, который либо включен, либо выключен, — переведен в диапазон насыщения для передачи энергии через почти нулевое сопротивление.Он делает это много тысяч раз в секунду, создавая высокочастотный посредник переменного тока.
2. В чем разница между импульсным и регулируемым источником питания?
Для этой цели необходимо рассмотреть две топологии: источники питания с линейным регулированием и импульсные источники питания. Линейное регулирование идеально подходит для приложений, требующих низкого уровня шума, тогда как импульсные источники питания лучше подходят для портативных устройств, где важны срок службы батареи и эффективность.
3. Что такое импульсный источник питания постоянного тока?
Импульсный источник питания постоянного тока (также известный как импульсный источник питания) регулирует выходное напряжение посредством процесса, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Процесс ШИМ генерирует некоторый высокочастотный шум, но позволяет создавать импульсные источники питания с очень высокой энергоэффективностью и малым форм-фактором.
4. Нужен ли импульсный блок питания?
Импульсный источник питания подразумевает более высокий КПД из-за высокой частоты переключения, что позволяет использовать более компактный и менее дорогой высокочастотный трансформатор, а также более легкие и менее дорогие компоненты фильтра.
5. Когда следует использовать импульсный источник питания?
Импульсные источники питания в основном используются в цифровых системах, таких как телекоммуникационные устройства, вычислительное оборудование, звуковое оборудование, зарядные устройства для мобильных телефонов, медицинские испытательные устройства, оборудование для дуговой сварки и автомобильные зарядные устройства.
6. Как снизить напряжение питания?
Чтобы уменьшить напряжение вдвое, мы просто формируем цепь делителя напряжения между 2 резисторами равного номинала (например, 2 резистора 10 кОм).Чтобы разделить напряжение пополам, все, что вам нужно сделать, это подключить последовательно любые 2 резистора равного номинала, а затем установить перемычку между резисторами.
7. В чем преимущества блока питания?
Преимущества линейных источников питания включают простоту, надежность, низкий уровень шума и низкую стоимость. Эти источники питания, также известные как линейные регуляторы (LR), имеют очень простую конструкцию, поскольку для них требуется несколько компонентов, что делает их легким устройством для работы инженеров-проектировщиков.
8. Что такое блок питания с автоматическим переключением?
Что ж, этот тип источника питания необходим для обеспечения регулируемой и регулируемой системы электропитания, которая автоматически прекращает подачу в случае отсутствия нагрузки. … Этот механизм автоматически отключает входное питание в случае отсутствия нагрузки.
9. Могу ли я использовать импульсный источник питания для привода двигателя постоянного тока?
Простой нерегулируемый аналоговый источник питания может быть проще и способен обеспечить большой пусковой ток под нагрузкой, превышающий импульсный.Двигатели постоянного тока не слишком привередливы к питанию и обычно неплохо работают на нефильтрованном постоянном токе.
10. Что такое обычный блок питания?
Наиболее распространенный источник питания представляет собой однофазный источник переменного тока. трансформатор, см. рисунок 10.49. Это преобразует первичное напряжение сети в низкое (2–20 В) вторичное сварочное напряжение. … Максимально допустимый ток на первичной обмотке трансформатора при рабочем цикле 50% равен номинальной мощности в кВА, деленной на напряжение сети.
Вам также может понравиться
Схема импульсного источника питания
с пояснениями
Схемотехника линейного источника питания постоянного тока
Конструкция однофазного синусоидального инверторного источника питания SPWM на основе SG3525
Принципиальная электрическая схема источника питания с регулируемым напряжением
Принцип и применение источника питания постоянного тока
Альтернативные модели
Часть Сравнить Производителей Категория Описание
Производитель.Часть #: 1N6303ARL4G Сравнить: 1.5KE200A VS 1N6303ARL4G Производители: ON Semiconductor Категория: Стабилитроны Описание: 171V 1500W
Производитель.Номер детали: 1.5KE200CA-TP Сравнить: Текущая часть Производители: микрокоммерческие компоненты Категория: TVS диоды Описание: Диод-ограничитель напряжения Trans, 1500 Вт, 171 В (RWM), двунаправленный, 1 элемент, кремний, DO-201AE, СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ROHS, УПАКОВКА ИЗ ПЛАСТИКА-2
Производитель.Часть #: 1.5KE200CA Сравнить: 1.5KE200CA-TP VS 1.5KE200CA Производитель: Good-Ark Electronics Категория: Описание: Диод TVS Single Bi-Dir 171V 1.5 кВт, 2-контактный DO-201AE
Производитель Номер детали: 1.5KE200CA Сравнить: 1.5KE200CA-TP VS 1.5KE200CA Изготовители: Fairchild Категория: TVS диоды Описание: ТВС ДИОД, 1.5кВт, 200В, DO-201AE
Как работает импульсный источник питания (SMPS)?
Ищете источник питания, который может преобразовывать мощность переменного или постоянного тока в один или несколько уровней постоянного тока? Тогда вам понадобится импульсный блок питания.Вот как они работают.
Обычно называемые «переключателями», эти устройства включают и выключают свои источники питания много раз в секунду. Это переключение создает эффективную входную частоту, часто достигающую мегагерцового диапазона.
Что означает «режим переключения»?
«Переключатель» в импульсном источнике питания на самом деле представляет собой полупроводник — полевой МОП-транзистор, который либо включен, либо выключен, — переведен в диапазон насыщения для передачи энергии через почти нулевое сопротивление.Он делает это много тысяч раз в секунду, создавая высокочастотный посредник переменного тока. Поскольку полупроводник был доведен до насыщения, он практически не проявляет сопротивления, что обеспечивает высокий КПД и очень небольшое тепловыделение. С другой стороны, линейный источник питания назван так потому, что его выпрямители работают в линейном диапазоне. Это означает, что когда они проводят энергию, они делают это через сопротивление со всей потраченной впустую мощностью и тепловыделением, присущим процессу.
Независимо от частоты, с которой полупроводник включается и выключается, время между началом каждого из импульсов включения определяется как период переключения. Время включения, как часть периода переключения, называется рабочим циклом. Изменяя рабочий цикл, регулируется выходное напряжение. Изменение рабочего цикла «на лету» сохраняет напряжение на заданном уровне.
В чем преимущества SMPS?
Высокая эффективность — Они выделяют гораздо меньше тепла.Устройства с меньшей мощностью часто не требуют теплозащитного экрана, что означает, что они могут быть установлены непосредственно на печатные платы.
Компактный форм-фактор — Поскольку коммутаторы работают на более высокой частоте, значение и, следовательно, размер связанных с ними фильтрующих конденсаторов и катушек индуктивности будет меньше, и в целом устройство будет занимать меньше места.
Универсальная конструкция — коммутаторы могут быть разработаны для повышения напряжения (Boost) или понижения напряжения (Buck) в зависимости от требований приложения.
Как спроектировать импульсные источники питания
Терминология
Коммутаторы
часто описываются как кирпичи, полукирпичи и четверть кирпича. Полный кирпич имеет размеры в дюймах 4,6 x 2,4 x 0,5, полукирпич — 2,3 x 2,4 x 0,35, а четверть кирпича — 2,3 x 1,45 x 0,35. Эти определения широко приняты, но не всегда соблюдаются. Спецификация также включает распиновку, поэтому при использовании переключателей, соответствующих стандарту, очень легко заменить продукт, когда это необходимо или решит дизайнер.Блоки питания более новой модели в четверть кирпича могут обеспечивать мощность 250 Вт и более. Это значительное улучшение по сравнению с объемом пространства, которое ранее требовалось для питания, освобождая место для дополнительных функций, которые необходимо включить в разрабатываемый продукт.
Строительство
Уравнения, описывающие физику переключателей, обманчиво просты. Практические реалии работы с амперами, в отличие от микроампер, с которыми обычно имеют дело большинство инженеров-электриков, могут привести к задержкам, дополнительным расходам и даже к полному отказу продукта.Проектирование коммутатора всегда лучше доверить специалисту по электроснабжению, и это один из сценариев, при котором почти всегда лучше купить, чем построить.
У инженеров
есть два основных варианта проектирования с импульсными источниками питания. Первый — это единый источник питания, который генерирует все напряжения, необходимые для системы, на которую подается питание. Второй включает один блок, взаимодействующий с внешним переменным током, но только с одним выходом постоянного тока, часто 12, 24 или 48 вольт. В этом случае напряжение, создаваемое основным источником питания, является самым высоким из необходимых.Если где-либо в системе требуется более низкое напряжение, можно использовать понижающий преобразователь для выполнения необходимого понижающего преобразования постоянного тока в постоянный.
Понижающие преобразователи
чрезвычайно эффективны, с потерями всего 5 процентов или даже меньше. Их также иногда называют импульсными регуляторами. Как и во всех переключателях, сердцем понижающего преобразователя является полупроводниковый переключатель, который настраивает напряжение источника много тысяч раз в секунду или чаще.
Благодаря своим конструктивным преимуществам импульсные источники питания быстро стали стандартом во всех областях, кроме самых технических и строгих.Конструкции по-прежнему постоянно улучшаются с точки зрения эффективности, меньшего размера и меньшего веса. Ищете дополнительные советы по источникам питания? Подробно рассмотрим основные типы импульсных преобразователей постоянного тока. Кроме того, узнайте, когда использовать источник бесперебойного питания и как выбрать правильное решение для преобразования переменного тока в постоянный.
Посмотреть связанный продукт
Импульсные источники питания
— обзор
1.1 Тенденция развития систем силовой электроники — влияние на силовые устройства следующего поколения
В последние несколько десятилетий силовые устройства были основной технологией, позволяющей разрабатывать силовые преобразователи. С середины прошлого века до 1980-х годов (как показано на рис. 1.1) выпрямители, тиристоры, GTO и биполярные транзисторы внесли значительный вклад в создание силовых электронных преобразователей для управления потоком электрической энергии от источника к нагрузке. . В последующие два десятилетия, с 1980 по 2000 год, на рынке появились силовые устройства с МОП-управлением с превосходными электрическими характеристиками, которые заменили предыдущее поколение биполярных компонентов во многих приложениях.Их превосходное поведение в открытом состоянии, выдающиеся динамические характеристики, управляемость и характеристики короткого замыкания преобладали в качестве преимуществ при разработке систем силовой электроники. Это новое поколение силовых устройств основано на кремниевом материале, как и биполярные устройства в предыдущие десятилетия. Однако из-за тонко структурированной технологии этих устройств, размера элементов и высокой плотности ячеек возникла необходимость в производственных линиях, совместимых с ИС. Это был первый технологический прорыв в технологиях производства силовых устройств, и несколько малых и средних производителей полупроводников не смогли покрыть расходы на новые ИС-совместимые объекты.Эти новые типы устройств, такие как Power MOSFET (представленный на рынке в 1979 году) и IGBT (представленный в 1985 году), открыли новую область для разработок силовых преобразователей. В этой первой технологической вехе [1] (как показано на рис. 1.2), инициированной устройствами с МОП-управлением, такими как силовой MOSFET и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), появилось несколько новых топологий схем, основанных на многоуровневых технологиях или технологиях чередования, а также новые стратегии управления были разработаны с целью реализации высокодинамичных и высокоэффективных преобразователей энергии.
Рис. 1.1. Тенденции в области силовых полупроводниковых технологий: производительность → вывод на рынок → серийное производство; жизненный цикл технологии силовых устройств; возможна замена устройств на базе Si на устройства на базе WB.
Источник: ABB, ECPE (Л. Лоренц).
Рис. 1.2. Упрощенные технологические вехи для преобразователей энергии.
Источник: ETH Zürich (проф. Колар), семинар ECPE.
Однополярный силовой полевой МОП-транзистор с очень коротким временем переключения поднял частоту переключения до 100 кГц и произвел революцию в области импульсных источников питания (SMPS) в потребительских и вычислительных приложениях, а также в информационных и коммуникационных технологиях.Однако сопротивление этих силовых транзисторов в открытом состоянии очень сильно зависит от легирования и толщины дрейфовой области для переноса электронного тока между клеммами нагрузки и ограничивает эффективное напряжение до номинального напряжения ниже 600 В. В отличие от этого поведения, биполярный транзистор с МОП-управлением (IGBT) с его сильной модуляцией несущей во включенном состоянии практически неограничен по номинальному напряжению и произвел революцию во всех промышленных приложениях, таких как управление двигателями, системы ИБП, тяговые приводы в железные дороги, морские суда, электромобили и т. д.и технологии возобновляемых источников энергии, включая транспортировку и распределение энергии. Их выдающиеся электрические и тепловые характеристики наряду с легко контролируемыми характеристиками делают их удобными для использования системными инженерами, так что всего за два-три десятилетия (как показано на рис. 1.1) «старое поколение» биполярных устройств было заменено на большинство областей применения. На основе этих технологических достижений стали очевидны основные движущие факторы будущего развития силовых электронных систем, которые были изложены в [2, 3]:
•
Энергоэффективность → для защиты окружающей среды.
•
Плотность мощности → для уменьшения веса / объема.
•
Надежность → для достижения нулевого дефекта конструкции компонентов и систем.
•
Пассивные устройства → Для использования преимуществ высокой частоты необходимы новые материалы для магнетиков и электролитов.
•
Трехмерная интеграция → Интеллектуальные технологии упаковки и трехмерная системная интеграция (активные устройства, пассивные устройства и эффективные системы охлаждения) для миниатюризации системы.
Для удовлетворения этих требований (как показано на рис. 1.2) за последнее десятилетие с 2000 по 2010 год устройства с МОП-управлением были усовершенствованы в направлении более высокой частоты коммутации, большей прочности даже при повышенной рабочей температуре и выдающейся перегрузки и возможности короткого замыкания. Для разработки системы это был начальный период цифровизации для достижения большей гибкости на системном уровне, точного и высокоэффективного управления мощностью для нагрузки, а также значительного сокращения системных компонентов.На уровне устройства было реализовано новое поколение «IGBT-транзисторов с полевым затвором» для дальнейшего сокращения потерь в открытом состоянии и динамических потерь, что повысило надежность устройства даже при более высокой плотности мощности и повышенной частоте коммутации. Униполярные устройства с их выдающимися характеристиками переключения были значительно улучшены за счет разработки принципа компенсации несущей [4]. В области низкого напряжения, U _br ≤ 250 В основной принцип, лежащий в основе резкого R _{ds (on)} ⁎ Снижение — это компенсация избыточных носителей в области дрейфа.Для силового полевого МОП-транзистора высокого напряжения 300 В ≤ U _br ≤ 900 В, указанная площадь резистора в открытом состоянии может быть значительно уменьшена за счет реализации принципа сверхперехода, основанного на компенсации несущей во всем слое дрейфа. Такая структура позволяла увеличить легирование в области дрейфа примерно на порядок без потери блокирующей способности [4]. Благодаря внедрению этой совершенно новой технологии устройства частота коммутации может быть увеличена до 1 МГц, что повысит удельную мощность и эффективность.MOSFET с суперпереходом заменил традиционную технологию MOSFET с высокими характеристиками и большим производственным объемом, как показано на рис. 1.1.
В текущем десятилетии (как показано на рис. 1.2) преобладает разработка сверхбыстрых переключающих устройств на основе материала WB (широкозонная запрещенная зона), которые имеют дополнительное преимущество одновременного повышения рабочей температуры. Это поколение силовых устройств очень близко подходит к идеальному переключателю: нулевые потери в открытом состоянии, нулевые потери при переключении, отсутствие управляющей мощности; теперь видна новая перспектива для реализации сверхвысокой плотности мощности на уровне устройства и системы.
Однако ограничения частоты коммутации, с которыми мы сталкиваемся сегодня, связаны с пассивными устройствами, в основном с магнитными потерями (включая потери в обмотках катушек индуктивности, трансформаторов и фильтров, а также емкости). Высокие значения di / dt , запускаемые переключающими устройствами, создают всплески перенапряжения во всех индуктивностях рассеяния на уровне упаковки устройства и компоновке системы. Общие индукторы рассеяния в тракте возбуждения оказывают сильное влияние на характеристики переключения транзистора, скачки перенапряжения на оксидных слоях и на клеммах нагрузки, что может привести к возникновению динамических лавин.Кроме того, мы должны научиться решать проблемы электромагнитных помех, возникающие при быстром переключении.
Еще более критичны чрезвычайно высокие значения dv / dt , возникающие из-за короткого времени переключения, поскольку мы создаем ток смещения во всех емкостях (внутренних и распределенных в зависимости от схемы устройства), участвующих в переключении. форма волны. dv / dt оказывает влияние на соединительные кабели с нагрузкой, саму нагрузку и соединители между приводом силовых устройств и микроэлектроникой.Чтобы удовлетворить требования к плотности мощности, эффективности, надежности и компактной 3D-интеграции, в следующий период разработки (как показано на рис. 1.2) особое внимание будет уделяться технологиям упаковки, пассивным устройствам, проблемам электромагнитных помех и способам их устранения. чрезвычайно высокие значения di / dt на уровне устройства и системы [5].
Основная причина, по которой эти сверхбыстрые коммутационные устройства на основе материала с широкой запрещенной зоной, заключаются в значительном увеличении плотности мощности и эффективности на уровне устройства и системы, а также повышении рабочей температуры без снижения прочности и надежности.В настоящее время устройства на основе SiC и GaN являются наиболее многообещающими полупроводниковыми материалами, как подробно объясняется далее в этой главе, для достижения этой цели. Хотя оба этих типа материалов хорошо известны для других электронных устройств (например, радиочастотных устройств и светодиодов) в течение длительного времени, все еще существуют проблемы с качеством материала пластины, с конструкцией устройства (как управлять этим чрезвычайно высоким электрическим полем без создание новых дефектов устройства), и как с этим справиться, используя кристаллы на одну величину меньше, по сравнению с Si-устройствами с эквивалентным номиналом по их электрическим и тепловым характеристикам.Позже в этой главе будут подробно рассмотрены характеристики материалов и характеристики устройства, включая тенденции развития.
Пока вопрос в том, насколько быстро эти отличные устройства заменят Si-компоненты текущего поколения. Необходимо учитывать несколько аспектов. С одной стороны, материалы на основе SiC и GaN более дороги в производстве по сравнению с материалом подложки Si, что приводит к более высокой стоимости устройства. С другой стороны, преобразователи, разработанные с использованием устройств SiC и GaN, достигают значительно более высокой эффективности (более низкие потери с прямым влиянием на меньшую потребность в охлаждении) и высокой плотности мощности (меньшие фильтры и устройства хранения), что напрямую влияет на общую стоимость материала.Одним из предварительных условий использования этого нового типа устройств является использование их выдающихся характеристик: более высокой скорости переключения и более высокой рабочей частоты. Основная проблема в настоящее время заключается в отсутствии пассивных (магнетиков, электролитов) компонентов, передовых технологий упаковки и схемотехники для работы с этими чрезвычайно крошечными матрицами с их характеристиками быстрого переключения на уровне преобразователя. Новые компаунды для технологий соединения микросхем, включая материалы, соответствующие CTE (коэффициент теплового расширения), с учетом, в частности, полупроводникового материала WB с его температурными характеристиками выше Tj> 300 ° C и меньшими требованиями к охлаждению и / или более высоким запасом надежности .Принимая во внимание все эти аспекты с сегодняшней точки зрения, потребуется много времени для замены Si-устройств текущего поколения, учитывая их высокий потенциал для дальнейшего существенного развития их характеристик (как показано на рис. 1.1). С другой стороны, в некоторых приложениях (например, мобильных приложениях в транспортных системах, источниках питания для ноутбуков и коммуникационных устройствах) существует большое давление, чтобы уменьшить размер и вес преобразователя мощности и повысить эффективность теперь, когда устройства SiC и / или GaN уже используются в этих типах приложений.Кроме того, появляются новые приложения, в которых требуются эти выдающиеся характеристики.
За последние несколько десятилетий, начиная с появления устройств с МОП-управлением в начале 80-х, рынок силовых устройств значительно вырос. Тем временем силовые устройства достигли примерно 10% объема рынка полупроводников. Во многих приложениях силовые устройства являются ключевыми элементами силовых электронных систем, несмотря на то, что их стоимость во многих силовых электронных системах незначительна по сравнению с общей стоимостью системы, например, в системах транспортировки энергии, высокоскоростных поездах и т. Д.Улучшение их характеристик и увеличение функциональности (например, силовые устройства SMART) снижает стоимость системы и открывает возможности для новых областей применения, например, транспортных систем, включая инфраструктуру, технологии возобновляемых источников энергии, предприятия SMART (включая прогнозирующее определение старения и связанные с процессами параметры), энергосбережение в силовых электронных блоках управления и т. д. Основными тенденциями являются высокие частоты переключения, уменьшение или устранение громоздких ферритов и электролитов, а также модульные многоуровневые топологии для достижения высоковольтных возможностей даже с низковольтными силовыми транзисторами, многофазные топологии чтобы рекомендовать более высокие номинальные мощности с низкими паразитными индуктивностями в схеме схемы, а также топологии плавного переключения для более высокого КПД и снижения гармоник.
1.1.1 Тенденции развития силовых устройств на основе Si-материала
Несмотря на то, что силовые MOSFET-транзисторы и IGBT имеют долгую историю, потенциал для их дальнейшего развития все еще существует, а кремний остается сильным конкурентом широкой запрещенной зоне. устройства, о чем будет сказано подробнее. Для всех устройств на основе Si, в дополнение к разработке элементов меньшего размера для структур транзисторных ячеек, было проведено множество исследований передовых процессов, таких как технология 300-мм сверхтонких пластин и их технологичности.
Для низковольтного силового полевого МОП-транзистора принцип компенсации заряда с использованием структуры ячеек с полевой пластиной был введен в начале прошлого десятилетия и постоянно совершенствовался от поколения к поколению. Основной принцип, лежащий в основе радикального R _{DS (on)} ⁎ Уменьшение количества полевых МОП-транзисторов по сравнению с обычными силовыми МОП-транзисторами (как показано на рис. 1.3) — это компенсация доноров n-дрейфовой области [6 ]. Изолированный электрод глубокого истока, отделенный от области n-дрейфа толстым оксидным слоем, действует как пластина поля и обеспечивает подвижные заряды, необходимые для уравновешивания доноров области дрейфа в условиях блокировки.Эта геометрия демонстрирует почти постоянное вертикальное распределение поля и допускает повышенное легирование области дрейфа. Это устройство значительно снижает сопротивление в открытом состоянии. Однако для производства таких устройств пришлось преодолеть несколько технических проблем. Поскольку изоляция полевой пластины должна выдерживать полное напряжение блокировки истока и стока устройства на дне траншеи, толщину оксида в микродиапазоне необходимо тщательно регулировать. В процессе производства необходимо учитывать точную глубину и однородность ширины траншеи, а также отличные параметры устройства и малое отклонение параметров, а также обращение с ультратонкой пластиной, несмотря на глубокие канавки и толстые слои оксида.Принимая во внимание все эти параметры (дизайн микросхемы, новые этапы процесса и технологичность изготовления тонких пластин), эти устройства демонстрируют чрезвычайно низкое качество резисторов в открытом состоянии, обладая выдающимися показателями качества за их динамические характеристики и простоту управления. По этим электрическим характеристикам новый тип силовых полевых МОП-транзисторов очень близок к GaN-устройствам. С точки зрения надежности (например, легкости вождения, перегрузки, динамической лавины и т. Д.) Этот транзистор превосходит современные GaN-транзисторы.Частота переключения подходит для всех основных приложений. Однако при работе на нескольких МГц (5 МГц ≤ фут ≤ 20 МГц) предпочтительнее полностью интегрированное системное решение (например, преобразователь постоянного тока в постоянный с боковыми устройствами на основе GaN). Принимая во внимание чрезвычайно низкий конденсатор на входе и выходе, другого решения нет.
Рис. 1.3. Тенденция развития низковольтных силовых полевых МОП-транзисторов: от горизонтальной ячеистой структуры к концепции полевой пластины.
Источник: Infineon Technologies.
Сегодня высоковольтные силовые полевые МОП-транзисторы в диапазоне напряжений 500 В ≤ 90 283 В _br ≤ 900 В и частот переключения до 1 МГц реализованы в технологии суперпереходов [7,8].В устройствах с суперпереходом с вертикальным течением тока используется (как показано на рис. 1.4) дополнительный p-столбец, проходящий почти полностью вниз через область блокировки напряжения. Эта структура позволяет увеличить легирование в n-столбце примерно на один порядок без потери блокирующей способности; дополнительный заряд в n-столбце полностью компенсируется встречным зарядом в p-столбце. Следовательно, удельное сопротивление в открытом состоянии зависит только от способности достаточно точно компенсировать эти заряды и изготавливать структуру сверхперехода с еще меньшим шагом столбцов.Помимо этих сложных требований, у приложения есть дополнительные потребности, такие как лавинная способность и контроль скорости переключения, что привело к ряду новых решений, таких как p-образная конструкция и вертикальная структура. Полевые МОП-транзисторы с суперпереходом требуют более сложного технологического процесса. Экономический успех возможен только за счет значительного улучшения резистора в открытом состоянии, характеристик переключения и надежности устройства. Помимо уменьшенного резистора в открытом состоянии, еще одним преимуществом является меньшая входная и выходная емкость, что обеспечивает более быстрое переключение и более низкие динамические потери.
Рис. 1.4. Тенденции развития высоковольтных силовых полевых МОП-транзисторов: от традиционной структуры ячеек (угол рисунка слева) до структуры сверхмощного устройства (рисунок внизу справа). Уменьшение площади резистора в открытом состоянии SJ Device Development.
Источник: Infineon Technologies (Г. Дебой).
Непрерывное дальнейшее совершенствование за последние несколько лет было направлено на снижение сопротивления в открытом состоянии для конкретных участков (как показано на рис. 1.4 в центральной части). Эти положительные результаты были достигнуты с использованием передовой полупроводниковой технологии для реализации большего числа n столбцов на площадь кристалла, а также меньшего шага ячеек.Конечно, при увеличении амплитуды тока вдоль n-столбцов создается область пространственного заряда, которая влияет на эффекты защемления тока, как следствие высокого падения напряжения в n-столбце. Однако здесь мы не обсуждаем «жесткий» физический предел; это просто вопрос дизайна микросхемы и достижений в развитии технологий. Физические пределы, приведенные в публикациях [9], не являются окончательными для дальнейшего развития устройств сверхперехода. Скорее вопрос в том, насколько точно контролируются возможности производства полупроводников.
Наконец, для технологии суперпереходов все еще существует большой потенциал для дальнейших инноваций и возможностей [10]. Принимая во внимание новые разработки для устройств с суперпереходом, все еще может наблюдаться дальнейшее видимое уменьшение резистора в открытом состоянии, а также улучшение коммутационных характеристик вместе с отличной лавинной способностью. Следовательно, эти технологии демонстрируют потенциал конкуренции с устройствами с широкой запрещенной зоной при тех же номинальных напряжениях.
1.1.1.1 МОП-управляемые устройства с модулированной несущей — например, IGBT
В дополнение к униполярным устройствам (например, силовым полевым МОП-транзисторам с полевой пластиной, сверхпереходным транзисторам) во многих приложениях с высокой мощностью полезны биполярные устройства с МОП-управлением из-за к возможности создания электронно-дырочной плазмы в открытом состоянии, что приводит к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии. Сегодня IGBT покрывают диапазон напряжений между 600 В ≤ В _br ≤ 6,5 кВ, номинальной мощностью до 10 МВт и частотами коммутации до 100 кГц.БТИЗ имеют вертикальный ток, но биполярную проводимость, как показано на рис. 1.5. Эти устройства имеют вертикальный pn-переход и толстый слой n-легирования под ним. Если к этому pn-переходу приложить обратное смещение, образуется обедненный слой и сильное электрическое поле. Достижимая способность блокирующего напряжения зависит от толщины и концентрации легирования n-легированного слоя. Чтобы избежать этой толстой и дорогостоящей, но определяющей характеристики эпитаксии n-слоя 60–120 мкм на подложке Si, в середине 80-х годов прошлого века была представлена подходящая легированная кремниевая подложка, служащая требуемым n-слоем.После полной обработки устройства, в конечном итоге, необходимый тыловой эмиттер формируется только путем реализации и низкотемпературного отжига. Это было прорывом в создании очень стабильных (без какого-либо процесса уничтожения срока службы) устройств с высокой стойкостью к току короткого замыкания [11–13].
Рис. 1.5. Тенденции развития IGBT от обычных пробивных до непробитых и непроходных до TRENCHSTOP и микропроцессорных канавок (три структуры ячеек справа).
Источник: Infineon Technologies.
Основной проблемой, стоящей перед новым типом IGBT, является обработка очень тонких пластин. Для низковольтных IGBT ( В, , _или ≤ 400 В) толщина пластины уменьшается почти до 50 мкм. Эти меры приводят к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии и коммутации. Важными препятствиями на пути к успеху разработки этого устройства были коммутационные потери и явление звона.
Улучшенные профили легирования и оптимизированные упаковочные решения помогли преодолеть эти препятствия.Наряду с передовыми технологиями обработки наблюдалось постоянное увеличение плотности клеток, как показано на рис. 1.6. Меньшие элементы мезы позволяют реализовать очень высокую плотность ячеек траншеи. Основным преимуществом такой высокой плотности ячеек канавки является накопление высокой концентрации носителей непосредственно под ячейками канавки, что приводит к низкому напряжению в открытом состоянии для IGBT. С помощью этой тонко структурированной конструкции траншейного элемента также можно оптимизировать конденсатор обратной связи и соотношение между емкостями коллекторного затвора и коллектора-эмиттера, которые отвечают за динамические характеристики.Реализация небольших мезаплощадок является выгодной, поскольку электронная / дырочная плазма уже отклоняется при малых номинальных значениях обратного напряжения, что существенно для снижения потерь при выключении. Другие тенденции развития IGBT смещаются в сторону устройств с обратной проводимостью, которые сегодня используются для резонансных приложений. Для приложений обратной проводки и переключения все еще ведутся разработки. Другая область исследований нацелена на обратную блокировку IGBT, что дает преимущества в многоуровневых технологиях.
Рис. 1.6. Наличие диаметров полупроводниковых пластин для изготовления устройств из кремния, карбида кремния и нитрида галлия.
Сегодня IGBT охватывают широкую область применения, такую как силовые электронные преобразователи для управления двигателями, системы ИБП, FACTS, транспортные системы, технологии возобновляемых источников энергии и т. Д.
1.1.2 Обзор и перспективы
Что касается силовых полупроводниковых устройств на основе кремниевого материала (например, силовые полевые МОП-транзисторы, сверхпереходные транзисторы, IGBT, быстрые выпрямители и т. д.), есть еще огромный потенциал для дальнейшего развития. Реализуя все идеи различных групп НИОКР в реальных продуктах во многих приложениях, устройства Si станут сильным конкурентом на рынке компонентов с широкой запрещенной зоной и будут оставаться таковыми в течение долгого времени. Общей тенденцией развития является уменьшение размера кристалла в пользу более низких потерь в открытом состоянии и динамических потерь, повышение рабочей температуры, интеграция функций датчиков для достижения высоких характеристик самозащиты и генерирования информации о параметрах, связанных со старением, повышение эффективности охлаждения и поддерживать или повышать отличную прочность и надежность этих устройств.Особой задачей будущего является разработка передовых технологий соединения микросхем, новой керамики для изоляции и превосходных тепловых характеристик, соответствующих материалов для покрытия микросхем, пластиков и материалов выводной рамки, соответствующих коэффициенту теплового расширения, особенно для корпусов большой мощности, с целью повышения рабочая температура выше 200 ° C. Настоятельно требуется усовершенствованная конструкция упаковки для устранения паразитных факторов (например, индуктивности рассеяния и распределенных емкостей) для обеспечения высоких значений di / dt и dv / dt и одновременного повышения показателей надежности, в частности числа циклов мощности и температуры. .Для успешного внедрения устройств с широкой запрещенной зоной необходимо много новаторских работ в области высоких рабочих температур, высокой надежности и низкого уровня паразитных воздействий.
Для использования этих сверхбыстрых коммутационных устройств, которые достигают высокого диапазона МГц с чрезвычайно маленьким размером чипа и передовыми концепциями охлаждения, новыми материалами для пассивных компонентов и интеллектуальными концепциями для общей системной интеграции (3D-интеграция), необходимо, чтобы мы считали активными устройства, пассивные компоненты, системы охлаждения и соответствующие технологии схем.
Для приложений с низким энергопотреблением (преобразователи постоянного тока в постоянный) тенденция смещается в сторону работы на частоте МГц с полевыми полевыми полевыми МОП-транзисторами выше 5 МГц с устройствами на основе GaN [14,15]. Необходимо разработать совершенно новый подход к проектированию всей системы. Для преобразователей энергии, работающих от сети 220 В, основными соображениями по технике привода являются плотность мощности и эффективность. В этих приложениях сверхпереходный транзистор (с учетом тенденций их будущего развития) останется привлекательным устройством.
Однако в некоторых схемных технологиях, где требуется мертвое время, обратное восстановление диодов, мощность возбуждения или частота переключения выше 1 МГц, устройства на основе SiC или GaN демонстрируют значительные преимущества.
При номинальном напряжении от 110 до 440 В (в основном используется в жилых и офисных помещениях, а также для автоматизации производства) новые перспективы открываются с сетью постоянного тока. Источник питания постоянного тока потенциально имеет несколько преимуществ в повышении эффективности, минимизации оборудования и снижении затрат по сравнению с исторически сложившейся инфраструктурой питания переменного напряжения.Однако есть несколько аспектов, которые необходимо изучить подробно, например, управление сетью, стабильность сети и способы устранения сбоев, возникающих из-за одной проблемы [16].
Очень важной областью в будущем развитии преобразователей мощности являются модульные многоуровневые и многофазные / чередующиеся топологии. Приоритезация топологий с чередованием для увеличения номинальной мощности работает в сочетании с выгодной способностью модульных многоуровневых топологий расширяться до приложений среднего / высокого напряжения с переключаемыми устройствами питания.Модульные многоуровневые топологии имеют много преимуществ при проектировании систем высокой мощности, таких как устранение больших пассивных фильтров и громоздких трансформаторов, простое устранение неисправностей и т. Д. Анализ тенденций развития силовых полупроводников показывает, что сочетание кремниевых и SiC-устройств открывает потенциал для существенных улучшений в следующем десятилетии [17–19].
В сегменте средней и высокой мощности появляется много новых и очень привлекательных приложений (например, технологии возобновляемых источников энергии, включая всю инфраструктуру, железнодорожный транспорт, самолет, электронную мобильность, медицинское оборудование и т. Д.) В этих областях применения требуется дальнейшее развитие IGBT и устройств на основе SiC в качестве ключевых технологий.
Принципы проектирования импульсных источников питания для обеспечения ЭМС
В этой статье обсуждаются основы понижающего (понижающего) импульсного источника питания постоянного тока (SMPS). Он должен служить учебным пособием начального уровня и шагом на пути к более продвинутым проектам.
Базовая топология SMPS
Основная функциональная задача понижающего SMPS — понизить сигнал постоянного тока В _IN до более низкого значения постоянного тока, В _OUT , как показано на рисунке 1.
Рисунок 1: Назначение понижающего SMPS
Первый шаг в этом процессе состоит в создании версии входного сигнала постоянного тока с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), как показано на рисунке 2.
Рисунок 2: Сигнал ШИМ
Выходной сигнал, показанный на рисунке 2, далек от желаемого выходного сигнала, описанного в нашей задаче. А именно: 1) это постоянный сигнал, только когда транзистор включен, 2) его уровень, когда транзистор включен, не ниже, чем входной сигнал, и 3) он содержит высокое содержание гармоник во время переходных периодов, [1 ].
Давайте обратимся к третьему аспекту, разместив фильтр нижних частот LC на выходной стороне схемы, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3: Схема SMPS с фильтром нижних частот
Чтобы уменьшить нежелательное рассеивание мощности в цепи, избегают фильтров RC и RL , а в базовых конструкциях используется простой фильтр LC .
Предположим, что транзистор выключен, в LC-фильтре отсутствует энергия, а выходное напряжение равно нулю.Когда транзистор включается, мы имеем схему, показанную на рисунке 4 (а) (предполагается, что транзистор идеален без падения напряжения).
Выходное напряжение постепенно увеличивается. Если предположить, что время включения достаточно велико, это напряжение в конечном итоге достигает установившегося значения В _OUT = В _IN . В установившемся режиме напряжение на катушке индуктивности v _L равно нулю, а постоянный ток I _L протекает через катушку индуктивности, как показано на рисунке 4 (b).Магнитная энергия хранится в индукторе.
Рисунок 4: Транзистор впервые включается: а) переходное состояние, б) установившееся состояние
Когда переключатель размыкается, на катушке индуктивности, а затем и на переключателе возникает большое отрицательное напряжение. Магнитная энергия, накопленная в катушке индуктивности, рассеивается в дуге на контактах переключателя или излучается [2], как показано на рисунке 5 (а).
Такое поведение часто является деструктивным для коммутатора, и требуется какая-то защитная схема.Самое простое решение — обеспечить путь для тока катушки индуктивности во время этого переключения, вставив диод в схему, как показано на рисунке 5 (b). Мы пришли к одному из простейших понижающих (понижающих) ИИП.
Рисунок 5: Транзистор выключается: a) нежелательное поведение b) защитный диод
Базовая конструкция этого ИИП сводится к правильному выбору компонентов L и C , чтобы удовлетворить наложенные проектные требования. Значения компонентов определяются посредством анализа схемы, когда транзистор включен (переключатель замкнут) и когда он выключен (переключатель разомкнут).Соответствующие схемы и выбранные переменные схемы показаны на рисунке 6.
Рисунок 6: Схема понижающего SMPS: a) транзистор включен b) транзистор выключен
Обратите внимание, что в обоих случаях, когда переключатель замкнут и разомкнут, ток индуктора положительный и течет в одном направлении. Если переключатель остается разомкнутым достаточно долго, ток катушки индуктивности падает до нуля, а затем выходное напряжение падает до нуля.
Если переключатель замыкается до того, как ток индуктора (и выходное напряжение) упадет до нуля в цикле переключения, SMPS будет работать в так называемом режиме постоянной проводимости .Это предпочтительный режим в EMC — он приводит к меньшей пульсации на выходе, меньшим колебаниям тока нагрузки и меньшему излучению EMC.
При последующем размыкании переключателя выходное напряжение возрастает. Когда он достигает желаемого значения, V _OUT < V _IN , переключатель снова размыкается. В непрерывном режиме и в установившемся режиме ток индуктора и выходное напряжение всегда остаются положительными и никогда не достигают нуля.
Конструкция ИИП
В следующей конструкции ИИП предполагается, что компоненты идеальны — падение напряжения на транзисторе и диоде равно нулю, катушка индуктивности и конденсатор идеальны (без паразитных помех).В схеме нет потерь — мощность, подаваемая источником, равна мощности, подаваемой на нагрузку. Обсуждаемый здесь подход основан на материале, представленном в [1].
SMPS работает в установившемся режиме в режиме непрерывной проводимости с рабочим циклом D сигнала ШИМ, равным
.
(1)
, где частота переключения f _SW постоянна. Переключатель замкнут на время
(2а)
и открыто на время
(2б)
Когда переключатель замкнут, диод смещен в обратном направлении, и мы имеем схему, показанную на рисунке 7.
Рисунок 7: Цепь с замкнутым переключателем
Напряжение на катушке индуктивности
(3)
Напряжение на диоде равно входному напряжению, В _D = В _IN . Из уравнения. (3) получаем
(4)
Поскольку эта производная положительна, ток индуктора линейно увеличивается в течение времени, когда переключатель замкнут. Чтобы определить (приблизительное) изменение тока катушки индуктивности за это время, мы аппроксимируем производную в формуле.(4) по
(5)
Таким образом, изменение тока индуктора равно
.
(6)
Когда переключатель разомкнут, диод смещен в прямом направлении ( v _D = 0), и мы имеем схему, показанную на рисунке 8.
Рисунок 8: Цепь с разомкнутым выключателем
Напряжение на катушке индуктивности
(7)
Из уравнения. (7) получаем
(8)
Поскольку эта производная отрицательна, ток индуктора линейно уменьшается в течение времени, когда переключатель разомкнут.(Приблизительное) изменение тока индуктора за это время получается из
.
(9)
Таким образом, изменение тока индуктора равно
.
(10)
Изменения напряжения и тока индуктора показаны на Рисунке 9.
Рисунок 9: Изменения напряжения и тока индуктора
Очевидно, (∆ i _L ) _{закрыто} = ∆ i _L ) _{открыто} .Из уравнений. (6) и (10) получаем
(11)
или
(12)
, что приводит к соотношению ввода-вывода для понижающего преобразователя
(13)
Поскольку рабочий цикл меньше 1, выходное напряжение ниже входного. Мы можем контролировать уровень выходного напряжения, просто изменяя рабочий цикл.
Теперь давайте рассчитаем средний, максимальный и минимальный токи индуктивности. В установившемся режиме средний ток конденсатора I _C = 0, [3].Отсюда следует, что средний ток индуктора, I _L , должен быть таким же, как средний ток нагрузки, I _R . То есть
(14)
Из рисунка 9 минимальное и максимальное значения тока индуктора равны
.
(15а)
(15б)
Используя уравнения. (10) и (14) в уравнениях. (15) получаем
(16а)
(16б)
или
(17а)
(17б)
, где f _SW = 1/ T .
Теперь мы можем вычислить минимальное значение индуктивности, L _MIN, для непрерывного режима работы. На границе между непрерывным и прерывистым режимами I _MIN = 0. Таким образом, из уравнения. (17а) получаем
(18)
или
(19а)
или используя уравнение. (13),
(19б)
Фактическое значение индуктивности должно, конечно, быть больше, чем минимальное значение, данное уравнениями. (19). Разумный выбор —
(20)
Наконец, пульсации выходного напряжения ∆ V _OUT могут быть получены путем анализа рисунка 10, на котором показаны кривые тока конденсатора и выходного напряжения [1].
Изменение заряда конденсатора ∆ Q равно площади треугольника под кривой тока конденсатора, когда конденсатор заряжается. То есть
(21)
С
(22а)
следует, что
(22б)
и
(22c)
Из уравнения. (10),
(23)
Используя уравнения. (22c) и (23) в уравнении. (21) получаем
(24)
, что приводит к пульсации выходного напряжения как
(25)
Относительная пульсация выходного напряжения
(26)
, который можно использовать для получения требуемой емкости с точки зрения указанной пульсации напряжения как
(27)
При проектировании ИИП обычно указываются входное и выходное напряжения.Как и нагрузка, и пульсации выходного напряжения. Как только частота переключения выбрана, минимальное значение индуктивности может быть рассчитано по формуле. (19b), а значение конденсатора из уравнения. (27).
В этой статье представлены самые основы простейшей (и, вероятно, шумной) конструкции ИИП. Он должен служить учебным пособием начального уровня и шагом на пути к более продвинутому SMPS. Следующим шагом в проектировании должны быть неидеальные модели диодов и транзисторов, паразитные характеристики компонентов и их физические ограничения.Чтобы уменьшить эмиссию электромагнитной совместимости, помимо многих других соображений, также должны быть реализованы входной фильтр [2] и демпферная схема [3,4].
Список литературы
Daniel W. Hart, Power Electronics , McGraw Hill, New York, NY, 2011
Богдан Адамчик и Билл Спенс, «Конструкция входного фильтра SMPS: подход с отрицательным сопротивлением», в журнале Compliance Magazine , май 2018 г.
Богдан Адамчик и Билл Спенс, «RC Snubber Design for SMPS Protection — Part I», In Compliance Magazine , февраль 2019.
Богдан Адамчик и Билл Спенс, «RC Snubber Design for SMPS Protection — Part II», In Compliance Magazine , март 2019 г.
Каков принцип работы этого блока питания?
Похоже, производитель не отказывается от схемы, поэтому я дам лучший ответ, который я могу, основываясь на использовании TL494 и работе со многими модулями SMPS.
1) Меньший трансформатор, обмотанный желтой лентой, является драйвером для МОП-транзисторов, установленных на шасси рядом с ним.TL494 нуждается в усилении, поскольку это не всегда лучший выбор для прямого подключения МОП-транзисторов. TL494 фактически сначала управляет двумя меньшими транзисторами, которые увеличивают ток для управления меньшим трансформатором в двухтактном режиме.
2) МОП-транзисторы — это ваши основные коммутационные компоненты, работающие в двухтактном режиме (возможно). Они приводят в действие первичную обмотку главного трансформатора (обмотанного зеленой лентой). На шасси рядом с зеленым трансформатором установлены 2 выпрямительных диода, которые преобразуют вторичные импульсы обратно в низкое постоянное напряжение.Тороидные и низковольтные конденсаторы сглаживают любую пульсацию, поэтому на выходе 5 В будет чистый постоянный ток. Я не вижу этого, но где-то на плате есть обратная связь, обычно сделанная с оптоизолятором, который удерживает выходное напряжение «заблокированным» на уровне 5 В постоянного тока.
3) Входной предохранитель переменного тока находится справа, вместе с ограничителем пускового тока (черный диск). Они питают специальные фильтрующие конденсаторы, предназначенные для использования в линии переменного тока, затем трансформатор синфазного фильтра для предотвращения попадания электромагнитных помех в линию переменного тока, а затем в мостовой выпрямитель (черный прямоугольник с одним точеным углом), который преобразует входной переменный ток. к высокому постоянному напряжению.
4) Если входное напряжение переменного тока составляет 120 или 240 В, постоянное напряжение на 2 больших конденсаторах составляет около 300–340 В постоянного тока, что, в свою очередь, подает ток на МОП-транзисторы. Из-за согласованных частей, подключенных к МОП-транзисторам, я не думаю, что это конструкция H-моста, обычно используемая для источников питания мощностью 500 Вт или более.
5) Если это наполовину конструкция H-образного моста, «внешний вид» изменится очень мало. Только схема может доказать, что это за тип. TL494 очень гибок при добавлении дополнительных деталей, поэтому он может работать с понижающим / повышающим, обратным, двухтактным или H-образным мостом.
6) Этот блок питания поставляется с переключателем на 120/240 В переменного тока. Это не влияет напрямую на конструкцию МОП-транзистора, но влияет на работу мостового выпрямителя и 2 больших конденсаторов. Если этот переключатель замкнут, то линия нейтрали / L2 подключается к центру двух больших конденсаторов, которые включены последовательно, а не параллельно. Он и мостовой выпрямитель образуют удвоитель напряжения, поэтому на конденсаторах имеется от 300 до 350 В постоянного тока.
7) Если у вас есть источник питания 208/240 В переменного тока (нейтраль становится L2), переключатель разомкнут, и мостовой выпрямитель создает напряжение от 300 до 350 В постоянного тока на конденсаторах.МОП-транзисторы питаются от 300 до 350 В постоянного тока, независимо от напряжения линейного источника.