Что такое импульсный блок питания. Какие бывают виды импульсных блоков питания. Как работают основные типы импульсных преобразователей. В чем преимущества и недостатки импульсных блоков питания. Где применяются импульсные источники питания.
Что такое импульсный блок питания
Импульсный блок питания (ИБП) — это электронное устройство для преобразования электрической энергии с использованием высокочастотного переключения силовых полупроводниковых приборов. В отличие от линейных блоков питания, ИБП обеспечивают более высокий КПД и меньшие габариты при той же выходной мощности.
Принцип работы ИБП заключается в следующем:
- Входное напряжение выпрямляется и фильтруется
- Полученное постоянное напряжение «нарезается» на высокочастотные импульсы с помощью силовых ключей
- Импульсы подаются на импульсный трансформатор для гальванической развязки
- На выходе трансформатора импульсы выпрямляются и фильтруются
- Система обратной связи обеспечивает стабилизацию выходного напряжения
Основные виды импульсных блоков питания
По типу схемотехнического решения выделяют следующие основные виды ИБП:
- Обратноходовые (flyback)
- Прямоходовые (forward)
- Двухтактные (push-pull)
- Полумостовые (half-bridge)
- Мостовые (full-bridge)
Также ИБП можно разделить на изолированные (с трансформатором) и неизолированные. К неизолированным относятся:
- Понижающие (buck)
- Повышающие (boost)
- Инвертирующие (buck-boost)
Обратноходовой преобразователь
Обратноходовой (flyback) преобразователь — один из самых распространенных типов ИБП для маломощных устройств (до 100-150 Вт). Его схема относительно проста:
- Когда ключ открыт, энергия накапливается в магнитном поле трансформатора
- При закрытии ключа энергия передается в нагрузку через вторичную обмотку
- Выходной конденсатор сглаживает пульсации
Преимущества обратноходового преобразователя:
- Простая схема
- Малое количество компонентов
- Возможность получения нескольких выходных напряжений
Недостатки:
- Относительно низкий КПД
- Большие пульсации выходного напряжения
- Ограничение по мощности
Прямоходовой преобразователь
Прямоходовой (forward) преобразователь применяется для мощностей до 200-250 Вт. Его особенности:
- Энергия передается в нагрузку при открытом ключе
- Требуется размагничивающая обмотка трансформатора
- Выходной дроссель накапливает энергию
Преимущества прямоходового преобразователя:
- Более высокий КПД по сравнению с обратноходовым
- Меньшие пульсации выходного напряжения
- Возможность работы на более высоких частотах
Недостатки:
- Более сложная схема
- Необходимость в размагничивающей обмотке
- Бóльшие потери при малых нагрузках
Двухтактные и мостовые преобразователи
Для мощностей свыше 200-300 Вт применяются двухтактные схемы:
- Двухтактный (push-pull) преобразователь
- Полумостовой (half-bridge) преобразователь
- Мостовой (full-bridge) преобразователь
Их особенности:
- Используют оба полупериода преобразования
- Обеспечивают более эффективное использование сердечника трансформатора
- Позволяют получить бóльшую выходную мощность
- Имеют более сложные схемы управления
Неизолированные преобразователи
Неизолированные преобразователи не имеют гальванической развязки между входом и выходом. К ним относятся:
Понижающий преобразователь (buck)
- Выходное напряжение ниже входного
- Простая схема
- Высокий КПД
Повышающий преобразователь (boost)
- Выходное напряжение выше входного
- Простая схема
- Прерывистый входной ток
Инвертирующий преобразователь (buck-boost)
- Выходное напряжение может быть как выше, так и ниже входного
- Инвертирует полярность напряжения
- Более сложная схема
Преимущества импульсных блоков питания
Основные преимущества ИБП по сравнению с линейными источниками питания:
- Высокий КПД (до 90-95%)
- Малые габариты и вес
- Широкий диапазон входных напряжений
- Возможность получения нескольких выходных напряжений
- Хорошая стабилизация выходного напряжения
Недостатки импульсных блоков питания
К недостаткам ИБП можно отнести:
- Более сложная схемотехника
- Генерация высокочастотных помех
- Более высокая стоимость компонентов
- Необходимость в специальных фильтрах ЭМП
- Сложность ремонта
Применение импульсных блоков питания
Благодаря своим преимуществам, ИБП широко применяются в различных областях:
- Компьютерная и офисная техника
- Бытовая электроника
- Промышленное оборудование
- Телекоммуникационные системы
- Светодиодное освещение
- Зарядные устройства
- Источники бесперебойного питания
Выбор импульсного блока питания
При выборе ИБП следует учитывать следующие параметры:
- Выходная мощность и напряжение
- Диапазон входных напряжений
- КПД
- Уровень пульсаций выходного напряжения
- Наличие защит (от КЗ, перегрузки, перегрева)
- Уровень электромагнитных помех
- Габариты и способ охлаждения
Правильный выбор типа и параметров ИБП позволяет оптимизировать характеристики конечного устройства.
Заключение
Импульсные блоки питания являются современным и эффективным решением для преобразования электроэнергии. Несмотря на более сложную схемотехнику, они обеспечивают высокий КПД, малые габариты и хорошую стабилизацию напряжения. Это делает ИБП незаменимыми во многих областях применения — от бытовой электроники до промышленного оборудования.
Блоки питания: Виды блоков питания
На сегодняшний день существует два типа блоков питания, это трансформаторные блоки питания и импульсные блоки питания. Каждый из них имеет как свои преимущества, так и свои недостатки. Поэтому нельзя точно сказать, что какой-то из них лучше или хуже, просто каждый тип блоков питания может наиболее выгодно подходить для тех или иных устройств, в зависимости от своих технических характеристик.
Характеристики трансформаторного блока питания. Если разбирать трансформаторный блок питания, в общем, то он состоит из понижающего трансформатора, где первичная обмотка выполнена из расчета на сетевое напряжение. А для преобразования сетевого (переменного) напряжения в пульсирующее однонаправленное (постоянное) напряжение используется выпрямитель. Затем идет фильтр, которые сглаживает пульсирующее напряжение (зачастую для этого используется конденсатор большой емкости). Кроме этого, в схеме трансформаторного блока питания могут присутствовать защиты от КЗ, фильтры высокочастотных помех, стабилизаторы тока и напряжения.
Преимущества трансформаторного блока питания. К достоинствам трансформаторных блоков питания можно приписать высокую надежность (ремонт блоков питания требуется не так часто), простоту конструкции, доступность элементной базы, а также низкий уровень создаваемых помех.
Недостатки трансформаторного блока питания. К недостаткам трансформаторных блоков питания относятся его большие габариты и вес, металлоемкость и низкий КПД.
Характеристики импульсного блока питания. Работа импульсных блоков питания настроена таким образом, что входящее переменное напряжение сначала выпрямляется и только затем преобразуется в импульсы повышенной частоты. Если это импульсный блок питания с гальванической развязкой от питающей сети, то импульсы подаются на трансформатор, если же гальваническая развязка не требуется, то импульсы напрямую подаются на низкочастотный выходной фильтр. Благодаря тому, что в импульсных блоках питания используются высокочастотные импульсы, в них могут применяться трансформаторы с малыми габаритами.
Для того чтобы стабилизировать напряжение, в импульсных блоках питания используется отрицательная обратная связь. Это позволяет удерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне. К тому же, это не зависит от возможных колебаний входящего напряжения, а также от величины нагрузки.
Преимущества импульсного блока питания. К достоинствам импульсных блоков питания относятся их небольшие габариты, а соответственно и вес, широкий диапазон входящего напряжения и частоты, высокий КПД и, сравнительно с трансформаторными блоками питания, меньшая стоимость. Также к достоинствам относится тот факт, что в большинстве современных импульсных блоках питания присутствуют встроенные цепи защиты от отсутствия нагрузки на выходе и от короткого замыкания.
Недостатки импульсного бока питания. Недостатком импульсных блоков питания является то, что все они представляют собой источник высокочастотных помех, что непосредственно связано с их принципом работы, а также то, что основная часть схемы работает без гальванической развязки от входящего напряжения (в некоторых ситуациях может потребоваться ремонт импульсных блоков питания).
Виды блоков питания | Блок питания это
Блок питания – это термин, значение которого достаточно специфическое. Часто упоминается в контексте оснащения компьютерной техники, ноутбуков (многим знакома аббревиатура ups), однако практическое применение выходит за указанную область. Фактически является вторичным источником питания, который может быть интегрированным в конструкцию любого радиоэлектронного прибора.
Основная функция, которую должен выполнять – преобразование переменного или постоянного напряжения в электросетях или аккумуляторах в постоянное или переменное напряжение, необходимое для обеспечения функционирования тех или иных устройств, а также защита данной аппаратуры от перепадов напряжения в электросетях.
Какие виды есть?Разбираясь, что значит рассматриваемое понятие, важно ознакомиться с основными видами блоков питания, которые существуют:
- линейный (трансформаторный) – основной вид, применяемый для оснащения бытовой техники, простой и надежный блок, работа которого исключает высокочастотные помехи;
- импульсный – разновидность, работающая как инвертор.
То есть меняется не только напряжение, но и его величина. Выравнивание происходит с помощью входного выпрямителя, далее амплитуду сглаживают входные конденсаторы.
Блок обеспечивает стабильное питание и надежность функционирования электрооборудования. Понять, что такое рассматриваемое устройство, достаточно просто – стоит ознакомиться с основным функционалом и характеристиками.
Функционирование линейной модификации обеспечивается за счет простого и эффективного принципа синусоиды, сплющиваемой трансформатором.
Импульсные блоки питания существуют в двух конструкционных решениях:
- имеющих гальваническую развязку;
- без развязки.
Мощность импульсных модификаций намного выше, как и эксплуатационная надежность – на сегодняшний день имеют широкое использование в компьютерной технике, большинстве видов современного оборудования.
Эргономичные и эффективные LED драйверы применяются, чтобы обеспечить светодиодный тип освещения – лента запускается данным прибором, мощность которого колеблется в диапазоне от 5 до 60 Вт, и даже больше, в зависимости от функционала.
Современные блоки питания выполняют следующие задачи:
- передают электрическую мощность, теряя минимум ресурса;
- трансформируют один вид напряжения в другой;
- формируют частоту, которая отличается от частоты, которую имеет электрический ток в источнике;
- изменяют величину напряжения;
- стабилизируют общие показатели эффективности работы электросети – у данных параметров есть определенный диапазон, в рамках которого они должны находиться;
- защищают от возникновения короткого замыкания, предотвращают другие неисправности в источнике;
- обеспечивают гальваническую развязку, защищая выравнивающие и другие токи от возможного протекания. В случае такой неисправности возможна не только поломка оборудования, но и возникновение угрозы для человеческого здоровья и жизни.
Блоки питания отличаются конструкционно, могут иметь разный вес, габариты, эксплуатационные характеристики, диапазон мощности.
Правильный выбор прибора зависит от прогнозируемого уровня рабочих нагрузок, интенсивности эксплуатации, сферы применения и других показателей, которые необходимо учитывать, чтобы избежать неисправности в работе оборудования и возникновения перебоев электропитания.
Введение в импульсные источники питания (SMPS): The Talema Group
Бхувана МадхайянИсточник питания, SMPS, импульсный
Импульсные источники питания (SMPS) довольно сложны по сравнению с линейными регулируемыми источниками питания. Но эта сложность приводит к стабильному, регулируемому источнику постоянного тока, который может более эффективно подавать энергию для данного размера, веса и стоимости. Эта статья является первой в серии статей, посвященных импульсным источникам питания, их различным топологиям, преимуществам и применению.
Введение. Основы преобразования мощности
Источник питания преобразует нерегулируемую мощность в стабильную регулируемую мощность.
Электронное оборудование обычно питается от низковольтных источников постоянного тока, источником которых может быть либо батарея, либо комбинация батареи и преобразователя постоянного тока в постоянный, либо источник питания, преобразующий сеть переменного тока в один или несколько источников постоянного тока низкого напряжения.
Блок питания является важным элементом в процессе преобразования электроэнергии. Почти все электронное оборудование требует источника постоянного тока, который хорошо регулируется, имеет низкие шумовые характеристики и обеспечивает быструю реакцию на изменение нагрузки. Некоторые источники питания также обеспечивают изоляцию входа и выхода для обеспечения безопасности и защиты от переходных процессов.
Существует два типа регулируемых источников питания: линейные регулируемые источники питания и импульсные источники питания (ИИП) . В основном мы будем обсуждать SMPS, но быстрое сравнение двух типов даст дополнительный контекст.
Линейный источник питания по сравнению с SMPS
Пример линейного источника питания Пример SMPSОсновными преимуществами SMPS являются эффективность, размер и вес. Линейный источник питания содержит сетевой трансформатор и последовательный регулятор рассеивания. Это означает, что источник питания имеет очень большие и тяжелые трансформаторы 50/60 Гц и очень низкую эффективность преобразования энергии, что является серьезным недостатком.
| Linear | SMPS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Size | Large and heavy | Small and light | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Efficiency | 30–40% | 70–95% | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Сложность | Низкий | Высокий | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| EMI | Низкий нош0008 | Переменная | Константа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Метод регулирования | Disciprating Excess Power | . Источники питания в этом режиме довольно сложны по сравнению с источниками питания с линейной стабилизацией. Однако эта сложность конструкции приводит к стабильному и регулируемому источнику постоянного тока, способному эффективно обеспечивать большую мощность при заданном размере, весе и стоимости. Благодаря использованию высоких частот переключения размер магнитных компонентов и связанных с ними фильтрующих компонентов в SMPS значительно уменьшен по сравнению с линейным источником питания. Например, SMPS, работающий на частоте 20 кГц, дает уменьшение размера компонента в 4 раза, а на частоте 100 кГц и выше этот показатель увеличивается примерно до 8 раз. Это означает, что конструкция SMPS может производить очень компактные и легкие источники питания. В настоящее время это обязательное требование для большинства электронных систем. Обзор SMPS Импульсные источники питания используют высокочастотные переключающие устройства для высокоэффективной передачи электроэнергии от источника к нагрузке. По мере того, как электронное оборудование становится все меньше и меньше, рынок требует, чтобы силовые преобразователи делали то же самое. С момента появления методов переключения режимов это был скорее эволюционный, чем революционный процесс. Глобальный рынок стал реальностью, поэтому источники питания работают в широком диапазоне входных напряжений, чтобы покрыть различные варианты сетевого питания переменного тока по всему миру. Базовая схема SMPSСхема базовой SMPS
Топологии SMPSЦепи SMPS содержат сети трансформаторов, аккумулирующие и фильтрующие катушки индуктивности, конденсаторы и электронные переключатели и выпрямители для регулирования мощности. Их конкретное расположение называется топологией . SMPS уменьшает размер и повышает эффективность за счет увеличения частоты операций. Факторы, которые следует учитывать при выборе топологии для конкретного приложения:
Типы SMPS SMPS можно разделить на два типа в зависимости от топологии схемы: неизолированные преобразователи и изолированные преобразователи .
В большинстве приложений топология SMPS содержит силовой трансформатор для обеспечения изоляции, масштабирования напряжения посредством коэффициента трансформации и возможности предоставления нескольких выходов. Однако существуют неизолированные топологии, такие как понижающий, повышающий и повышающе-понижающий преобразователи, в которых обработка мощности достигается только за счет индуктивной передачи энергии. В таблице ниже указаны типичные уровни максимальной выходной мощности для различных топологий.
Методы переключенияОперация переключения может быть «жесткой» или «мягкой».
Заключение, несмотря на сравнительно комплексные, что является сравнительно сложным, покупаемые по капусту. преимущества в весе и эффективности. В нашей следующей статье мы более подробно рассмотрим неизолированные преобразователи и их применение. преобразователиизолированныенеизолированныемпсТипы импульсных источников питания — понижающий, повышающий, понижающе-повышающий, обратноходовой и прямоходовой преобразователь Типы импульсных источников питания или импульсных источников питания Топологии — это способы классификации различных схем импульсных источников питания. Здесь, в этом содержании, мы подробно разберемся с различными типами SMPS. Прежде чем продолжить, позвольте нам иметь краткое введение Что такое SMPS?SMPS, т. е. импульсный источник питания, представляет собой блок питания, который используется для передачи мощности от источника к нагрузке. В отличие от линейных источников питания, он использует технологию полупроводниковой коммутации для подачи выходного сигнала на нагрузку. Как правило, нагрузкам требуется регулируемая форма сигнала постоянного тока в качестве выходного сигнала. С помощью SMPS нерегулируемый входной сигнал постоянного или переменного тока может быть преобразован в регулируемый сигнал постоянного тока, который фактически требуется нагрузке. Он включает в себя переключающее устройство, которое находится в режиме насыщения, когда включено, и в режиме отсечки, когда выключено. Таким образом, действует как идеальный переключатель. Приведенное ниже графическое представление показывает, как классифицируются SMPS:
Неизолированные SMPS — это те, чьи входные и выходные схемы не изолированы друг от друга. Хотя существует много неизолированных SMPS, есть три основных типа неизолированных SMPS: Buck, Boost и Buck-Boost SMPS. В этих импульсных источниках питания не используется такое устройство, которое могло бы отделить цепь переключения от цепи выхода. Здесь катушки индуктивности используются как элементы накопления энергии. В то время как изолированные SMPS — это те, в которых поддерживается изоляция между входной и выходной схемой. Несмотря на существование нескольких изолированных SMPS, наиболее известны два типа: обратноходовой преобразователь и прямоходовой преобразователь. В этих импульсных источниках питания используется трансформатор для отделения переключения от выхода. Вторичная обмотка трансформатора играет роль накопителя энергии. Здесь следует отметить, что переключающее устройство может быть силовым транзистором или МОП-транзистором. Давайте теперь разберемся, как работает каждый тип. Понижающий импульсный регуляторПонижающий импульсный регулятор создает выходной сигнал постоянного тока со значением, меньшим, чем подаваемый входной сигнал. Отсюда и другое название — понижающий преобразователь. На рисунке ниже показана схема понижающего импульсного регулятора:
Здесь он образован с использованием двух переключателей, т. е. транзистора Q и диода D, а также элемента накопления энергии, т. е. катушки индуктивности. L. Конденсатор C используется для сглаживания. Два режима работы этой схемы зависят от того, включен или выключен транзистор. При подаче высокого входного импульса транзистор открывается и D смещается в обратном направлении. Из-за обратного смещения через диод не будет протекать ток, и ток от транзистора достигнет нагрузки через дроссель. По закону Фарадея катушка индуктивности будет препятствовать изменению тока. Таким образом, ток нагрузки показывает постепенный рост с расширением в магнитном поле, в то время как индуктор накапливает энергию.
При подаче низкого входного импульса транзистор отключится и через него не будет протекать ток. В отсутствие внешнего питания магнитное поле вокруг индуктора не будет поддерживаться, что приведет к возникновению напряжения обратной полярности на индукторе. Таким образом, напряжение, существующее на катушке индуктивности, теперь будет смещать диод в прямом направлении, и на этот раз ток протекает через нагрузку через диод. Одновременно заряд внутри конденсатора также поступает в нагрузку. Это будет происходить до тех пор, пока временной транзистор снова не начнет проводить ток.
В закрытом состоянии транзистора катушка индуктивности и конденсатор будут действовать как LC-фильтр, сглаживающий пульсации, вызванные переключением транзистора. Средняя мощность при нагрузке определяется рабочим циклом, D:
Они используются в компьютерных системах и имеют КПД около 90%. Повышающий импульсный регуляторПовышающий импульсный источник питания создает такой выходной сигнал постоянного тока, значение которого больше, чем подаваемый входной сигнал. Таким образом, иногда его называют повышающим преобразователем. На рисунке ниже показана схема повышающего преобразователя:
В форсированной конфигурации, когда на входе присутствует высокий импульс, транзистор открывается. Здесь ток может течь, начиная с катушки индуктивности через транзистор и обратно на вход питания. В это время ток не достигнет нагрузки из-за конфигурации диода с обратным смещением относительно транзистора, но катушка индуктивности будет накапливать энергию.
При наличии отрицательного импульса на входе транзистор перейдет в непроводящее состояние. Из-за состояния выключенного транзистора диод теперь будет смещен в прямом направлении и начнет проводить. В этом состоянии вход питания будет подаваться на нагрузку через диод с прямым смещением.
Таким образом, в этом случае полная энергия, подаваемая в нагрузку, будет суммой подводимой энергии V в и энергии, накопленной в катушке индуктивности V L . Этой же энергией заряжается C на нагрузке. Когда снова включится транзистор, то ранее заряженный конденсатор теперь будет действовать как источник и подавать питание на нагрузку.
Находит применение в зарядных устройствах, фотовспышках и т. д. Повышающе-понижающий импульсный регуляторКонфигурация повышающе-понижающего импульсного источника питания обеспечивает выходное значение, значение которого может быть больше или меньше входного напряжения в зависимости от условий. На приведенном ниже рисунке показана схема повышающе-понижающего преобразователя:
Первоначально, когда на входе присутствует высокий импульс, транзистор включается, и в этом состоянии ток течет через дроссель и обратно к источнику, таким образом зарядка индуктора энергией источника.
Но как только на вход подается низкий импульс, транзистор отключается, и диод становится проводящим из-за его прямого смещения. Следовательно, в закрытом состоянии транзистора энергия, ранее накопленная в катушке индуктивности (с противоположной полярностью), теперь будет передаваться в нагрузку через диод, одновременно заряжая конденсатор.
Обеспечивает выходное напряжение обратной полярности, которое может быть больше или меньше входного напряжения в зависимости от рабочего цикла. Выходное напряжение повышающе-понижающего преобразователя задается как:
Он называется так потому, что может работать в понижающем или повышающем режиме. Все рассмотренные выше конфигурации не имеют трансформаторов в своих цепях, но трансформаторы являются важной частью изолированных ИП. Давайте посмотрим, как работает изолированный SMPS. Обратноходовой преобразовательВ этом переключающее устройство полностью изолировано от выходной цепи, представленная ниже схема обратноходового преобразователя ясно показывает то же самое:
Здесь встроен трансформатор обратного хода, в котором одновременно работает только одна из обмоток. Во время высокого входного импульса транзистор включится, и ток будет протекать через первичную обмотку трансформатора и достигать входа питания. Из-за этого протекания тока во вторичной обмотке будет индуцироваться напряжение, но оно имеет противоположную полярность, поскольку точки на двух обмотках расположены в разных направлениях. Эта обратная полярность вторичной обмотки смещает диод D в обратном направлении. В этом состоянии заряд, хранящийся в конденсаторе, действует как источник, который подает питание на нагрузку.
Однако во время низкого входного импульса транзистор будет закрыт, и через первичную обмотку трансформатора не будет протекать ток. В это время вторичная обмотка выделяет энергию и меняет полярность. Это прямое смещение диода и ток будет течь через него. Следовательно, теперь мощность будет подаваться на нагрузку и одновременно будет заряжаться конденсатор.
Здесь коэффициент трансформации обмоток трансформатора будет определять, будет ли выходной сигнал больше или меньше входного. Прямой преобразовательПрямой преобразователь также основан на изолированном типе SMPS, который включает в себя трансформатор. На рисунке ниже представлена схема прямого преобразователя, где две точки соответствуют одинаковой полярности на обеих обмотках трансформатора:
При подаче высокого входного импульса транзистор включается и ток начинает течь через первичную обмотку. обмотка трансформатора. Этот ток, протекающий по первичной обмотке, индуцирует ток во вторичной обмотке. Однако, в отличие от обратноходового преобразователя, здесь полярность на обеих обмотках одинаковая. Это прямое смещение диода D
Но как только подается низкий входной импульс, транзистор отключается и ток через первичную обмотку трансформатора не течет. Похожие записи
|
Действие переключения управляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а регулировка напряжения достигается за счет изменения рабочего цикла ШИМ. 
Компромиссами являются повышенные пульсации и шумы (как кондуктивные, так и излучаемые электромагнитные помехи) на выходе, которыми необходимо управлять 
Приложения 
В широком смысле импульсный источник питания подразделяется на неизолированные SMPS и изолированные SMPS. 
Также этим током будет заряжаться конденсатор С до напряжения питания, включенного параллельно нагрузке. 
Кроме того, энергия, запасенная в катушке индуктивности, одновременно будет передаваться в нагрузку. 
Он действует как устройство хранения и передачи энергии. Чтобы показать полярность двух обмоток трансформатора, используются точки на обеих обмотках. 
