Импульсный стабилизатор напряжения — Википедия

И́мпульсный стабилиза́тор напряже́ния (ключево́й стабилизатор напряжения, используются также названия импульсный преобразователь, импульсный источник питания) — стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент (ключ) работает в импульсном режиме^[1], то есть регулирующий элемент периодически открывается и закрывается.

Энергия первичного источника питания передаётся через регулирующий элемент определёнными порциями, заданными контуром регулирования так, чтобы стабильным было среднее значение выходного напряжения. Сглаживание пульсаций выходного напряжения происходит благодаря наличию элемента (или сочетания элементов), способного накапливать электрическую энергию и отдавать её в нагрузку.

Импульсный стабилизатор напряжения по сравнению с линейным стабилизатором имеет меньшие потери энергии на нагрев регулирующего элемента, что повышает КПД стабилизатора и позволяет применять регулирующий элемент меньшей мощности, а радиатор меньших размеров и веса.

Сравнение с линейным стабилизатором[править | править код]

Преимущества:

• высокий КПД, особенно при работе в большом диапазоне входных напряжений^[2];
• малые габариты и масса (высокая удельная мощность)^[2];
• принципиальная возможность гальванической развязки входных и выходных цепей, при работе от промышленной сети переменного тока не требуется использование имеющего большие габариты и вес трансформатора, рассчитанного на частоту 50/60 Гц^[2].

Недостатки:

• импульсные помехи во входных и выходных цепях^[2] — как дифференциальные (противофазные), так и помехи общего вида (синфазные помехи)^[3][4];
• более высокая нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения или тока нагрузки
  [2];
• более длительные переходные процессы (большее время восстановления выходного напряжения после скачкообразного изменения входного напряжения или тока нагрузки)^[2];
• входное отрицательное дифференциальное сопротивление — входной ток увеличивается при уменьшении входного напряжения; если импеданс первичного источника напряжения (включая входные вспомогательные цепи самого импульсного преобразователя) выше отрицательного импеданса импульсного преобразователя, то возникают автоколебания с нарушением работоспособности и возможным повреждением стабилизатора^[4][5][6] .

Функциональные схемы по типу цепи управления[править | править код]

Импульсный стабилизатор напряжения представляет собой систему автоматического регулирования. Задающим параметром для контура регулирования служит опорное напряжение, которое сравнивается с выходным напряжением стабилизатора. В зависимости от сигнала рассогласования устройство управления изменяет соотношение длительностей открытого и закрытого состояния ключа.

В представленных ниже структурных схемах можно выделить три функциональных узла: ключ (1), накопитель энергии (2) (который иногда называют фильтром^[7]) и цепь управления. При этом ключ (1) и накопитель энергии (2) вместе образуют силовую часть^[8] стабилизатора напряжения

[⇨], которая вместе с цепью управления образуют контур регулирования. По типу цепи управления различают три схемы.

С триггером Шмитта[править | править код]

Стабилизатор напряжения с триггером Шмитта называется также релейным или стабилизатором с двухпозиционным регулированием^[9]. В нём выходное напряжение сравнивается с нижним и верхним порогами срабатывания триггера Шмитта (4 и 3) посредством компаратора (4), который обычно является входной частью триггера Шмитта. При замкнутом ключе (1) входное напряжение поступает на накопитель энергии (2), выходное напряжение нарастает, и после достижения верхнего порога срабатывания

U_max триггер Шмитта переключается в состояние, размыкающее ключ (1). Накопленная энергия расходуется в нагрузке, при этом напряжение на выходе стабилизатора спадает, и после достижения нижнего порога срабатывания U_min триггер Шмитта переключается в состояние, замыкающее ключ. Далее описанный процесс периодически повторяется. В результате на выходе образуется пульсирующее напряжение, размах пульсаций которого зависит от разности порогов срабатывания триггера Шмитта.

Такой стабилизатор характеризуются сравнительно большой, принципиально неустранимой пульсацией напряжения на нагрузке и переменной частотой преобразования, зависящей как от входного напряжения, так и от тока нагрузки

[10].

С широтно-импульсной модуляцией[править | править код]

Структурная схема стабилизатора напряжения с ШИМ

Как и в предыдущей схеме, в процессе работы накопитель энергии (2) или подключён к входному напряжению, или передаёт накопленную энергию в нагрузку. В результате на выходе имеется некоторое среднее значение напряжения, которое зависит от входного напряжения и скважности^[11] импульсов управления ключом (1). Вычитатель-усилитель на операционном усилителе (4) сравнивает выходное напряжение с опорным напряжением (6) и усиливает разность, которая поступает на модулятор (3). Если выходное напряжение меньше опорного, то модулятор увеличивает отношение времени открытого состояния ключа к периоду тактового генератора (5). При изменении входного напряжения или тока нагрузки скважность импульсов управления ключом изменяется таким образом, чтобы обеспечить минимальную разность между выходным и опорным напряжением.

В таком стабилизаторе частота преобразования не зависит от входного напряжения и тока нагрузки и определяется частотой тактового генератора^[10].

С частотно-импульсной модуляцией[править | править код]

При этом способе управления импульс, открывающий ключ, имеет постоянную длительность, а частота следования импульсов зависит от сигнала рассогласования между опорным и выходным напряжениями. При увеличении тока нагрузки или снижении входного напряжения частота увеличивается. Управление ключом может осуществляться, например, с помощью моностабильного мультивибратора (одновибратора) с управляемой частотой запуска.

Этот раздел имеет чрезмерный объём или содержит маловажные подробности. Если вы не согласны с этим, пожалуйста, покажите в тексте существенность излагаемого материала. В противном случае раздел может быть удалён. Подробности могут быть на странице обсуждения.

По схеме силовой части импульсные стабилизаторы делят обычно на три основных типа: понижающие, повышающие и инвертирующие^[8]. Такое разделение сложилось, в частности, в отечественной технической литературе^[12].

Некоторые авторы, рассматривая схемы импульсных преобразователей постоянного напряжения во всём их многообразии, показывают, что число элементарных базовых схем преобразователя можно свести к двум^[13] — понижающего типа и повышающего типа. Также отмечается, что другие схемы импульсного преобразователя напряжения (в том числе инвертирующего преобразователя^[14]) могут быть получены каскадным соединением этих двух базовых схем^[15]

^{[неавторитетный источник?][16]}.

В нижеприведённых схемах в качестве ключа S могут использоваться полевой транзистор, биполярный транзистор или тиристор, цепь управления ключом для простоты не показана. Отношение времени замкнутого состояния ключа к сумме длительностей замкнутого и разомкнутого состояний называют коэффициентом заполнения (или рабочим циклом — англ. duty cycle)^[2].

Преобразователь с понижением напряжения[править | править код]

Преобразователь с понижением напряжения

Названия в англоязычной литературе — buck converter (step-down converter). Если ключ S замкнут, то диод

D закрыт, и через дроссель L течёт нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D, при этом величина тока уменьшается. При достаточной индуктивности ток дросселя не успевает уменьшиться до нуля к началу следующего цикла (режим неразрывных токов) и имеет пульсирующий характер. Поэтому даже при отсутствии конденсатора C напряжение на нагрузке R будет иметь такой же характер с пульсациями, размах которых тем меньше, чем больше индуктивность дросселя. Однако, на практике увеличение индуктивности связано с увеличением габаритов, массы и стоимости дросселя и потерь мощности в нём, поэтому использование конденсатора для уменьшения пульсаций более эффективно. Сочетание элементов

L и C в этой схеме часто называют фильтром^[10][17].

Преобразователь с повышением напряжения[править | править код]

Преобразователь с повышением напряжения

Названия в англоязычной литературе — boost converter (step-up converter). Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через диод D и конденсатор C (заряжая его). К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке

R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора. В отличие от предыдущей схемы, здесь дроссель не является элементом фильтра. Напряжение на нагрузке всегда больше напряжения источника^[10][18].

Инвертирующий преобразователь[править | править код]

Инвертирующий преобразователь

Название в англоязычной литературе — buck-boost converter (то есть «понижающе-повышающий преобразователь»). Основное отличие от предыдущей схемы состоит в том, что цепь D, R, C подключена параллельно дросселю, а не параллельно ключу. Принцип работы схемы похожий. Если ключ S замкнут, то диод D закрыт, и через дроссель L течёт линейно нарастающий ток от источника. Когда ключ размыкается, ток дросселя, который не может измениться мгновенно, начинает протекать через конденсатор C (заряжая его) и диод D. К началу следующего цикла практически линейно спадающий ток через конденсатор может уменьшиться до нуля, однако приложенное к нагрузке R напряжение конденсатора почти постоянно — амплитуда пульсаций тем меньше, чем больше ёмкость конденсатора (дроссель не является элементом фильтра). Напряжение на нагрузке может быть как больше, так и меньше напряжения источника^[10][19].

Влияние диода на КПД[править | править код]

Прямое падение напряжения для обычных кремниевых диодов составляет около 0,7 В, для диодов Шоттки — около 0,4 В. Мощность, рассеиваемая в диоде при больших токах, существенно снижает КПД, особенно в стабилизаторах с низким выходным напряжением. Поэтому в таких стабилизаторах диод часто заменяют дополнительным полупроводниковым ключом с низким падением напряжения в открытом состоянии, например, силовым полевым транзистором.

Во всех трёх описанных схемах диод D может быть заменён на дополнительный ключ^[20], замыкаемый и размыкаемый в противофазе к основному ключу.

Если требуется гальваническая развязка входных и выходных цепей импульсного стабилизатора — например, по требованиям электробезопасности при использовании промышленной сети переменного тока в качестве первичного источника питания — можно применить разделительный трансформатор в рассмотренных выше основных схемах. Использование высокочастотного трансформатора в схеме преобразователя с понижением напряжения приводит к схеме однотактного или двухтактного прямоходового преобразователя (англ. forward converter). Замена дросселя в схеме инвертирующего преобразователя на дроссель с двумя или более обмотками приводит^[21] к схеме обратноходового преобразователя (англ. flyback converter).

Некоторые особенности импульсных преобразователей с гальванической развязкой входа от выхода:

• Благодаря высокой рабочей частоте преобразования (от 20 кГц до 1 МГц^[2]) габаритные размеры развязывающего трансформатора или многообмоточного дросселя значительно меньше, чем трансформатора для частоты 50 Гц.
• В цепи управления применяется либо оптрон, либо отдельная обмотка в трансформаторе (или дросселе), либо специальный трансформатор.

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямительный мост и фильтр помех.
B — конденсаторы входного фильтра, правее — радиатор высоковольтных транзисторов.
C — трансформатор, правее — радиатор низковольтных диодов.
D — выходной дроссель.
E — конденсаторы выходного фильтра.
Ниже E — дроссель и конденсатор входного фильтра на сетевом разъёме.

Фильтрация импульсных помех[править | править код]

Импульсный стабилизатор напряжения является источником высокочастотных помех в связи с тем, что содержит ключи, коммутирующие ток^[22]. Поэтому в моменты коммутации возникают довольно значительные броски напряжения и тока, порождающие помехи как на входе, так и на выходе стабилизатора, причём помехи и противофазные, и синфазные^[3]. Фильтры для подавления помех устанавливаются как на входе, так и на выходе стабилизатора.

Для снижения помех можно производить коммутацию ключа в моменты, когда через ключ нет тока при размыкании, или на ключе нулевое напряжение при замыкании. Этот приём используют в так называемых резонансных преобразователях, которые также имеют свои недостатки^[23][24].

Входное сопротивление[править | править код]

Импульсный стабилизатор напряжения под нагрузкой имеет входное отрицательное дифференциальное сопротивление — при повышении входного напряжения входной ток уменьшается, и наоборот. Это следует учитывать для сохранения устойчивости работы импульсного стабилизатора напряжения от источника с повышенным внутренним сопротивлением^[4][6].

Использование в сетях переменного тока[править | править код]

Рассмотренные выше импульсные стабилизаторы (преобразователи) напряжения преобразуют постоянный ток на входе в постоянный ток на выходе. Для питания устройств от электрической сети переменного тока на входе устанавливается выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Это предполагает наличие некоторого количества элементов, установленных до развязывающего трансформатора, а значит, гальванически связанных с входными цепями. Такие элементы обычно выделяются на платах либо штриховкой, либо чертой на слое сеткографической маркировки, или даже особой окраской, которая предупреждает человека о потенциальной опасности прикосновения к ним. Импульсные блоки питания в составе других приборов (телевизоров, компьютеров) закрываются защитными крышками, снабжёнными предупреждающими надписями. Если при ремонте импульсного блока питания необходимо включить его со снятой крышкой, рекомендуется включать его через развязывающий трансформатор или УЗО.

Часто помехоподавляющие фильтры на входе импульсных блоков питания соединяются с корпусом прибора. Это делается в том случае, если предполагается подключение защитного заземления корпуса. Если защитным заземлением пренебрегли, то на корпусе прибора образуется потенциал относительно земли, равный половине сетевого напряжения. Конденсаторы фильтров, как правило, имеют небольшую ёмкость, поэтому прикосновение к корпусу такого прибора неопасно для человека, но одновременное прикосновение чувствительными частями тела к заземленным приборам и к незаземленному корпусу ощутимо (говорят, что прибор «кусается»). Кроме того потенциал на корпусе может быть опасен для самого прибора.

1. ↑ ГОСТ Р 52907-2008 (неопр.). docs.cntd.ru. Дата обращения 2 февраля 2018.
2. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7 8} Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. — М. : Додэка, 1997. — С. 15—16. — 224 с. — ISBN 587835-0010-6
3. ↑ ^{1 2} Электромагнитная совместимость в электроэнергетике (рус.) (недоступная ссылка). lib.rosenergoservis.ru. Дата обращения 19 августа 2017. Архивировано 19 августа 2017 года.
4. ↑ ^{1 2 3} Жданкин В. Подавление электромагнитных помех во входных цепях преобразователей постоянного напряжения
5. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 218.
6. ↑ ^{1 2} Sokal, Nathan O. System oscillations from negative input resistance at power input port of switching-mode regulator, amplifier, DC/DC converter, or DC/DC inverter (англ.) : journal. — 1973. — P. 138—140. — DOI:10.1109/PESC.1973.7065180. (англ.)
7. ↑ Титце У. Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Мир, 1982. — С. 271.
8. ↑ ^{1 2} Импульсные стабилизаторы (неопр.). Studopedia.org. Дата обращения 6 января 2018.
9. ↑ Китаев В. В. Электропитание устройств связи. — : Связь, 1975. — С. 196—207. — 328 с. — 24 000 экз.
10. ↑ ^{1 2 3 4 5} 8.4. Импульсные стабилизаторы (неопр.). riostat.ru. Дата обращения 16 августа 2017.
11. ↑ В расчётах стабилизатора обычно используется величина, обратная скважности — коэффициент заполнения.
12. ↑ Семенов, 2006.
13. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 9—14.
14. ↑ Хотя тут же (С. 139) Севернс и Блум отмечают, что многими специалистами схема инвертирующего преобразователя рассматривается как третья элементарная преобразовательная ячейка.
15. ↑ Севернс и Блум, 1988, с. 138—139.
16. ↑ Поликарпов А. Г., Сергиенко Е. Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. — М.: Радио и связь, 1989. — С. 6—7. — 160 с. — ISBN 5-256-00213-9
17. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Понижающий преобразователь — Стр. 128
18. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Повышающий преобразователь — Стр. 129
19. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Основные импульсные схемы — Инвертирующий повышающий преобразователь — Стр. 130
20. ↑ Как, например, в микросхеме TPS54616
21. ↑ The Flyback Converter — Lecture notes — ECEN4517 — Department of Electrical and Computer Engineering — University of Colorado, Boulder.
22. ↑ issh.ru — Источники питания — Раздел 16 Импульсные источники питания — Первичный источник питания — Подавление радиопомех — Стр. 147
23. ↑ Источники питания — Раздел 16. Импульсные источники питания — Схемы управления — Резонансные контроллеры, стр. 145 //issh.ru
24. ↑ Авторская страница Б. Ю. Семенова

Вторичный источник электропитания — Википедия

Вторичный источник электропитания — устройство, которое преобразует параметры электроэнергии основного источника электроснабжения (например, промышленной сети) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для функционирования вспомогательных устройств.^[1]

Источник вторичного электропитания может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах; либо когда необходимо регулирование (установка, изменение) и стабилизация напряжения в определённом диапазоне в т. ч. динамически — например материнские платы разнообразных компьютеров имеют встроенные преобразователи напряжения для питания ЦП и др. различных ИМС, модулей и ПУ; либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и так далее), или даже расположенным в отдельном помещении (цехе электропитания).

Задачи вторичного источника электропитания[править | править код]

• Обеспечение передачи мощности — источник электропитания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.
• Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
• Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины, для питания различных цепей.
• Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и так далее. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.
• Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.
• Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.
• Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.
• Управление — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).
• Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

Чаще всего перед вторичными источниками питания стоит задача преобразования электроэнергии из сети переменного тока промышленной частоты (например, в России — 240 В 50 Гц, в США — 120 В 60 Гц).

Две наиболее типичных конструкции — это трансформаторные и импульсные источники питания.

Линейный блок питания Схема простейшего трансформаторного источника питания без стабилизации с двухполупериодным выпрямителем

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от короткого замыкания (КЗ), стабилизаторы напряжения и тока.

Габариты трансформатора[править | править код]

Из 3-го уравнения Максвелла rotE→=−∂B→∂t,{\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},} являющегося математической записью закона электромагнитной индукции Фарадея следует, что ЭДС E1{\displaystyle E_{1}}, наводимая в одном витке обмотки, охватывающем изменяющийся во времени магнитный поток Φ{\displaystyle \Phi } равна:

E1=dΦdt.{\displaystyle E_{1}={\frac {d\Phi }{dt}}.}

При синусоидальном изменении Φ{\displaystyle \Phi } вида:

Φ(t)=Φ0⋅sin(ωt),{\displaystyle \Phi (t)=\Phi _{0}\cdot sin(\omega t),}

где Φ0{\displaystyle \Phi _{0}} — амплитудное (максимальное) значение Φ,{\displaystyle \Phi ,}

ω{\displaystyle \omega } — угловая частота,

t{\displaystyle t} — время,

следует:

E1(t)=Φ0⋅ω⋅sin(ωt),{\displaystyle E_{1}(t)=\Phi _{0}\cdot \omega \cdot sin(\omega t),}

Магнитный поток связан с магнитной индукцией B{\displaystyle B}^[2] формулой:

Φ=B⋅S,{\displaystyle \Phi =B\cdot S,}

где S{\displaystyle S} — площадь витка.

При практически важном в трансформаторах синусоидальном изменении B(t){\displaystyle B(t)} по закону:

B(t)=B0⋅sin(ωt),{\displaystyle B(t)=B_{0}\cdot sin(\omega t),}

где B0{\displaystyle B_{0}} — амплитудное (максимальное) значение индукции в сердечнике (магнитопроводе) трансформатора.

Поэтому ЭДС одного витка вторичной обмотки в трансформаторах, первичная обмотка которых питается синусоидальным током и ферромагнитный магнитопровод которых не заходит в магнитное насыщение выражается формулой:

E1(t)=B0⋅S⋅ω⋅sin(ωt).{\displaystyle E_{1}(t)=B_{0}\cdot S\cdot \omega \cdot sin(\omega t).}

На практике и при расчётах трансформаторов применяется не амплитудное, а среднеквадратическое (эффективное) значение ЭДС или напряжения, которое в случае синусоидального изменения связано с амплитудным значением ЭДС выражением:

Eeff=22E0.{\displaystyle E_{eff}={\frac {\sqrt {2}}{2}}E_{0}.}

Подставляя последнюю формулу в выражение ЭДС для одного витка и учитывая, что

ω=2⋅π⋅f,{\displaystyle \omega =2\cdot \pi \cdot f,} f{\displaystyle f} — частота, имеем основную формулу для расчёта числа витков обмоток трансформатора так как ЭДС обмотки прямо пропорционально числу витков в обмотке:

Eeff1=2⋅π⋅B0⋅S⋅f≈4,43⋅B0⋅S⋅f,{\displaystyle E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\approx 4,43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f,}

где Eeff1{\displaystyle E_{eff1}} — эффективная ЭДС одного витка.

Мощность P{\displaystyle P}, отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора:

P=U⋅I,{\displaystyle P=U\cdot I,}

где U{\displaystyle U} — напряжение обмотки под нагрузкой,

I{\displaystyle I} — ток обмотки.

Так как максимальный ток обмотки ограничен предельной плотностью тока в проводниках обмотки при заданном их сечении и U∼Eeff1{\displaystyle U\sim E_{eff1}}, отсюда следует, что для повышения мощности трансформатора без изменения его размеров следует повышать B0{\displaystyle B_{0}} и/или f{\displaystyle f}.

Существенному повышению B0{\displaystyle B_{0}} препятствует явление магнитного насыщения сердечника. При насыщении, которое наступает в экстремумах тока первичной обмотки в течение периода, во-первых, падает реактивное сопротивление первичной обмотки, что вызывает увеличение тока холостого хода и увеличение нагрева обмотки за счёт омического сопротивления, и, во-вторых, увеличиваются потери на гистерезис, вызванные перемагничиванием магнитопровода, так как увеличивается площадь петли гистерезиса, что вызывает повышение потерь на тепло в магнитопроводе.

С точки зрения потерь в магнитопроводе следует как можно больше снижать максимальную индукцию в магнитопроводе (Bm{\displaystyle B_{m}}), но такой подход экономически нецелесообразен, так как при прочих равных увеличивает габариты и материалоёмкость трансформатора. Поэтому Bm{\displaystyle B_{m}} в магнитопроводе выбирают исходя из разумного компромисса. Причем для трансформаторов малой мощности Bm{\displaystyle B_{m}} увеличивают, а для мощных трансформаторов — уменьшают. Это обусловлено тем, что магнитопровод у малогабаритного трансформатора охлаждается эффективнее, чем у крупных трансформаторов. Для электротехнических сталей в трансформаторах промышленной частоты Bm{\displaystyle B_{m}} выбирают в пределах 1,1—1,35 Тл в трансформаторах мощностью до сотен Вт и от 0,7 до 1,0 Тл для мощных трансформаторов распределительных подстанций.

Исходя из Bm{\displaystyle B_{m}} применяется практическая формула, полученная подстановкой в теоретическое значение ЭДС витка заданного значения Bm{\displaystyle B_{m}} и частоты 50 Гц:

Eeff1=S33…70,{\displaystyle E_{eff1}={\frac {S}{33…70}},}

Здесь S{\displaystyle S} выражено в см², Eeff1{\displaystyle E_{eff1}} — в вольтах. Меньшие значения знаменателя выбирают для маломощных трансформаторов, большие — для мощных.

Другой путь повышения мощности трансформатора — повышение рабочей частоты. Приблизительно можно считать, что при заданных размерах трансформатора его мощность прямо пропорциональна рабочей частоте. Поэтому увеличение частоты в k{\displaystyle k} раз при неизменной мощности позволяет уменьшить размеры трансформатора в ∼k{\displaystyle \sim {\sqrt {k}}} раз (площадь сечения магнитопровода уменьшается в ∼k{\displaystyle \sim k} раз), или, соответственно, его массу в ∼k3/2{\displaystyle \sim {\sqrt[{3/2}]{k}}} раз.

В частности, в том числе и этими соображениями, в силовых бортовых сетях летательных аппаратов и судов обычно применяется частота 400 Гц с напряжением 115 В.

Но повышение частоты ухудшает магнитные свойства магнитопроводов, в основном из-за увеличения потерь на гистерезис, поэтому при рабочих частотах свыше единиц кГц применяют ферродиэлектрические магнитопроводы трансформаторов, например, ферритовые или изготовленные из карбонильного железа.

Современные источники вторичного электропитания различной бытовой техники, компьютеров, принтеров и др. сейчас практически полностью выполняются по схемам импульсных источников и практически полностью вытеснили классические трансформаторы. В таких источниках гальваническое разделение питаемой цепи и питающей сети, получение набора необходимых вторичных напряжений, производится посредством высокочастотных трансформаторов с ферритовыми сердечниками. Источником высокочастотного напряжения являются импульсные ключевые схемы с полупроводниковыми ключами, обычно транзисторными. Применение таких устройств, часто называемых инверторами позволяет многократно снизить массу и габариты устройства, а также, дополнительно — повысить качество и надёжность электропитания, так как импульсные источники менее критичны к качеству электропитания в первичной сети, — они менее чувствительны к всплескам и провалам сетевого напряжения, изменениям его частоты.

Достоинства и недостатки[править | править код]

Достоинства трансформаторных БП.

• Простота конструкции.
• Надёжность.
• Доступность элементной базы.
• Отсутствие создаваемых радиопомех^{[прим 1]} (в отличие от импульсных, создающих помехи за счёт гармонических составляющих^[3]).

Недостатки трансформаторных БП.

• Большой вес и габариты, пропорционально мощности.
• Металлоёмкость.
• Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.

Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямитель. Ниже виден входной фильтр
B — входные сглаживающие конденсаторы. Правее виден радиатор высоковольтных транзисторов
C — импульсный трансформатор. Правее виден радиатор низковольтных ключей
D — дроссель групповой стабилизации (ГДС)
E — конденсаторы выходного фильтра

Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определённой скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной фильтр нижних частот (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространёнными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящего от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Достоинства и недостатки[править | править код]

Достоинства импульсных БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

• меньшим весом за счёт того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжёлых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме. Кроме того, благодаря повышенной частоте преобразования, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения (можно использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости, чем для выпрямителей, работающих на промышленной частоте). Сам выпрямитель может быть выполнен по простейшей однополупериодной схеме, без риска увеличения пульсаций выходного напряжения;
• значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %) за счёт того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включён, либо выключен) потери энергии минимальны^[4];
  • из этого прямо следует, что, при одной и той же схемотехнике и элементарной базе, КПД растёт с понижением частоты преобразования, так как переходные процессы занимают пропорционально меньшую часть времени. При этом, однако, растут габариты моточных элементов — но это даёт и выигрыш, из-за снижения омических потерь.
• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
• сравнимой с линейными стабилизаторами надёжностью.
  Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные. Линейные БП малой мощности сохранились в основном только в следующих областях:
  • для питания слаботочных плат управления высококачественной бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок;
  • для маломощных управляющих устройств высокой и сверхвысокой надёжности, рассчитанной на многолетнюю непрерывную эксплуатацию при отсутствии обслуживания или затруднённом обслуживании, как, например, цифровые вольтметры в электрощитах, или автоматизация производственных процессов.
• широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
• наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

Недостатки импульсных БП

• Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП.
• Все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры^[3].
• Как правило, импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.
• В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.

Комментарии

1. ↑ Однако в мощных трансформаторных БП возникают импульсные помехи из-за того, что ток, протекающий через выпрямительные диоды (и вторичную обмотку трасформатора) имеет форму коротких импульсов, потому что диод открыт не весь полупериод, а короткое время вблизи максимума синусоиды, когда мгновенное значение переменного напряжения на вторичной обмотке превышает постоянное напряжение на фильтрующей ёмкости).

Источники

Импульсные источники питания [Амперка / Вики]

Импульсные встраиваемые блоки питания пригодятся в самых разнообразных проектах — начиная с включения светодиода до системы «Умный Дом». Благодаря своему конструктиву источники питания от «Mean Well» удобно использовать в законченных проектах, встраивать в корпус или электротехнический шкаф.

Видеообзор

Подключения и настройка

Для подключения импульсного источника питания к вашему устройству проделайте ряд действий:

1. К входным клеммам L и N блока питания подключите напряжение бытовой сети.

2. К выходным клеммам −V и +V подключите нагрузку.

В качестве примера подключим плату Iskra Neo к источнику питания RS-75-12

Общие сведения

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

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

Линейные источники напряжения

В линейных источниках питания входное напряжение подаётся на трансформатор, после чего выпрямляется через диодный мост и сглаживается фильтром. Трансформаторы в таких блоках обладают большими габаритами и чаще всего находят свое применение в лабораторных источниках питания и аудио усилителях. Основным недостатком такой схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства.

Импульсные регуляторы напряжения

В импульсных источниках питания входное напряжение выпрямляется, после чего преобразуется в импульсы с большей частотой, которые подаются на высокочастотный трансформатор. Далее подается через цепь обратной связи в формирователь импульсов для поддержания стабильного напряжение на выходе путем регулирования длительности или скважности импульсов. С выходных обмоток снимается напряжение и выпрямляется. Выпрямленное напряжение фильтруется для получения стабильного значения. Плюсы импульсных источников питания:

• малый вес конструкции;

• небольшие размеры;

• большая мощность;

• высокий КПД;

• низкая себестоимость;

• высокая стабильность работы;

• широкий диапазон питающих напряжений;

Элементы модуля

Клеммник подключения входного и выходного напряжения

• L и N — подключение сетевого кабеля 220 В. Фазу и ноль можно подключать в любой последовательности.

• — подключение заземления. Можно не подключать, если в вашей сети нет заземления.

• +V — подключение выходного положительного напряжения.

• −V — подключение выходного отрицательного напряжения.

Корректировка выходного напряжения

С помощью подстроечного резистора можно более точно отрегулировать выходное напряжение.

Световая индикация

Встроенный светодиод горит при подключении входного напряжения к блоку питания.

Характеристики

Модель	Входное напряжение	Выходное напряжение	Выходной ток	Выходная мощность	КПД	Габариты
RS-15-5	AC: 85—264 В DC: 120—370 В	5 В	3 A	15 Вт	77 %	62.5×51×28 мм
RS-25-5	AC: 85—264 В DC: 120—370 В	5 В	5 A	25 Вт	79 %	78×51×28 мм
RS-25-12	AC: 85—264 В DC: 120—370 В	12 В	2,1 A	25 Вт	79 %	78×51×28 мм
RS-75-12	AC: 85—264 В DC: 120—370 В	12 В	6 A	75 Вт	81 %	129×97×38 мм

Ресурсы

Импульсные источники питания | Электрознайка. Домашний Электромастер.

Здравствуйте уважаемые коллеги!!

     Как построить импульсный трансформатор на ферритовом кольце я уже рассказывал в своих уроках здесь. Теперь  расскажу как я изготавливаю трансформатор на Ш — образном ферритовом сердечнике. Использую я для этого подходящие по размеру ферриты от старого «советского»оборудования, старых компьютеров, от телевизоров и другой электротехнической аппаратуры, которое у меня в углу валяется «до востребования».

     Для ИБП по схеме двухтактного полумостового генератора,  напряжение на первичной обмотке трансформатора, согласно схемы составляет 150 вольт, под нагрузкой примем 145 вольт. Вторичная обмотка выполнена по схеме двухполупериодного выпрямления со средней точкой.
Смотреть схему ИБП здесь.

     Приведу примеры расчета и изготовления трансформаторов для ИБП небольшой мощности 20 — 50 ватт для этой схемы. Трансформаторы такой мощности я применяю в импульсных блоках питания  для своих светильников на светодиодах. Схема трансформатора ниже. Необходимо обратить внимание, чтобы сложенный из двух половинок, Ш — сердечник не имел зазора.    Магнитопровод с зазором используется только в однотактных  ИБП.

     Вот два примера расчета типичного трансформатора для различных нужд. В принципе, все трансформаторы на разные мощности имеют одинаковый способ расчета, почти одинаковые диаметры провода и одинаковые способы намотки.  Если вам нужен трансформатор для ИБП мощностью до 30 ватт, то это первый пример расчета. Если нужен ИБП мощностью до 60 ватт, то второй пример. 

        Первый пример.
Выберем из таблицы ферритовых сердечников №17,  Ш — образный сердечник Ш7,5×7,5. Площадь сечения среднего стержня Sк = 56 мм.кв. = 0,56 см.кв.
Окно Sо = 150 мм.кв. Расчетная  мощность 200 ватт.
Количество витков на 1 вольт у этого сердечника будет: n = 0,7/Sк = 0,7 / 0,56 = 1,25 витка.
     Количество витков в первичной обмотке трансформатора будет: w1 = n х 145 = 1,25 х 145 = 181,25.  Примем 182 витка.
     При выборе толщины провода для обмоток, я исходил из таблицы «Диаметр провода — ток».
В своем трансформаторе я применил, в первичной обмотке, провод  диаметром 0,43 мм. (провод   большим диаметром  не  умещается в окне). Он имеет площадь сечения S = 0.145 мм.кв.  Допустимый ток  (смотреть в таблице) I = 0,29 A.
Мощность первичной обмотки будет: Р = V x I = 145 х 0,29 = 42 ватта.
     Поверх первичной обмотки необходимо расположить обмотку связи. Она должна выдавать напряжение v3 = 6 вольт.    Количество витков ее будет: w3 = n x v3 = 1,25 x 6 = 7,5 витка. Примем 7 витков.  Диаметр провода 0,3 — 0,4 мм.
Затем мотается вторичная обмотка w2. Количество витков вторичной обмотки зависит от необходимого нам напряжения.       Вторичная обмотка, например на 30 вольт, состоит из двух равных полуобмоток, w3-1 и w3-2 (смотреть по схеме).
     Ток во вторичной обмотке, с учетом КПД (k=0,95) трансформатора:  I = k xР/V = 0,95 x 42 ватта / 30 вольт = 1,33 А ;
     Подберем провод под этот ток. Я применил провод, нашедшийся у меня в запасе, диаметром 0,6 мм.  Его площадь сечения  S = 0,28 мм.кв.
Допустимый ток каждой из двух полуобмоток  I = 0,56 А. Так, как эти две вторичные полуобмотки работают вместе, то общий ток равен 1,12 А, что немного отличается от расчетного тока 1,33 А.
Количество витков в каждой полуобмотке для напряжения 30 вольт: w2.1 = w2.2 = n х 30 = 1,25 х 30 = 37,5 вит.
     Возьмем по 38 витков в каждой полуобмотке.
Мощность на выходе трансформатора:  Рвых = V x I = 30 В х 1,12 А = 33,6 Ватт, что с учетом потерь в проводе и сердечнике, вполне нормально.

     Все обмотки: первичная, вторичная и обмотка связи вполне уместились в окне Sо = 150 мм.кв.  

     Вторичную обмотку можно таким образом рассчитать на любое напряжение и ток, в пределах заданной мощности.

                Второй пример.
    Теперь поэкспериментируем. Сложим два одинаковых сердечника №17,  Ш 7,5 х 7,5 . 

     При этом площадь поперечного сечения магнитопровода «Sк», увеличится вдвое. Sк = 56 х 2 = 112 мм.кв. или 1,12 см.кв.
Площадь окна останется та же «Sо» = 150 мм.кв.     Уменьшится показатель n (число витков на 1 вольт). n = 0,7 / Sк = 0,7 /1,12 = 0,63 вит./вольт.
Отсюда, количество витков в первичной обмотке трансформатора будет:
w1 = n х 145 = 0,63 х 145 = 91,35.    Примем 92 витка.

     В обмотке обратной связи w3, для  6-ти вольт, будет: w3 = n x v3 = 0,63 х 6 = 3,78 витка. Примем 4 витка.
     Напряжение вторичной обмотки примем также как и в первом примере равным 30 вольт.
Количество витков вторичных полуобмоток, каждая по 30 вольт:     w2.1 = w2.2 = n х 30 = 0,63 х 30 = 18,9. Примем по 19  витков.
Провод для первичной обмотки я использовал диаметром 0,6 мм. : сечение провода 0,28 мм.кв.,  ток 0,56 А.
     С этим проводом мощность первичной обмотки будет:    Р1 = V1 x I = 145 В х 0,56 А = 81 Ватт.
Вторичную обмотку я мотал проводом диаметром 0,9 мм. Сечением  0,636 мм.кв. на ток 1,36 ампера.  Для двух полуобмоток  ток во вторичной  обмотке равен 2,72 ампера.
Мощность вторичной обмотки Р2 = V2 x I = 30 x 2,72 = 81,6 ватт.
Провод диаметром 0,9 мм. немного великоват, подходит с большим запасом, это не плохо.

     Провод  для обмоток я применяю из расчета 2 А на миллиметр квадратный (так он меньше греется, и падение напряжения на нем будет меньше), хотя все «заводские» трансформаторы мотают из расчета 3 — 3,5 А на мм.кв. и ставят вентилятор для охлаждения обмоток.
     Общий вывод из этих расчетов таков:
— при сложении двух одинаковых Ш — образных сердечников увеличивается площадь «Sк»  в два раза при той же площади окна «Sо».
     — число витков в обмотках (в сравнении с первым вариантом) изменяется.
     — первичная обмотка w1   с 182 витков уменьшается до 92 витка;
     — вторичная обмотка w2  с 38 витков уменьшается до 19 витков.

     Это значит, что в том же окне «Sо», с уменьшением количества витков в обмотках, можно разместить более толстый провод обмоток, то есть увеличить реальную мощность трансформатора в два раза.

     Я наматывал такой трансформатор, со сложенными сердечниками № 17, изготавливал под них каркас.

     Нужно иметь в виду, что трансформаторы,  по первому и второму примеру, можно использовать под меньшую нагрузку, вплоть от 0 ватт.  ИБП вполне хорошо и стабильно держат напряжение.

     Сравните внешний вид трансформаторов: пример-1, c одним сердечником  и пример-2, с двумя сложенными сердечниками. Реальные размеры трансформаторов разнятся незначительно.

Анализ ферритовых сердечников №18 и №19 подобен предыдущим примерам.
     Все наши выполненные расчеты — это теоретические прикидки. На самом деле, получить такие мощности от ИБП на трансформаторах этих размеров довольно сложно. Вступают в силу особенности построения схем самих импульсных блоков питания. Схему ИБП смотрите здесь.
Выходное напряжение (а следовательно и выходная мощность) зависят от многих причин:
     — емкости сетевого электролитического конденсатора С1,
     — емкостей С4 и С5,
     — падения мощности в проводах обмоток и в самом ферритовом сердечнике;
     — падения мощности на ключевых транзисторах в генераторе и на выходных выпрямительных диодах.
Общий коэффициент полезного действия «k» таких импульсных блоков питания около 85%.
Этот показатель все же лучше, чем у выпрямителя с трансформатором на стальном сердечнике, где  k = 60%. При том, что размеры и вес ИБП на феррите существенно меньше.

Порядок сборки ферритового  Ш — трансформатора.

            Используется готовый или собирается — изготавливается новый каркас под размеры сердечника.
Как изготовить «Каркас для Ш — образного трансформатора» смотрите здесь. Хотя в этой статье и говорится про каркас для трансформатора со стальным сердечником, описание вполне подходит и к нашему случаю.
     Каркас нужно поставить на деревянную оправку. Намотка трансформатора производится вручную.
      На каркас сначала  мотается первичная обмотка. Виток к витку заполняется первый ряд, затем слой тонкой бумаги, лакоткани, далее второй ряд провода и т.д.  На начало и конец провода надевается  тонкая ПВХ трубочка (можно изоляцию с монтажного провода) для жесткости провода, чтоб не обломился.
      Поверх первичной обмотки наносится два слоя бумаги (межобмоточная изоляция), затем нужно намотать витки обмотки связи  w3. Обмотка  w3 имеет  мало витков, а потому ее располагают скраю на каркасе. Затем наносятся витки вторичной обмотки.  Здесь желательно поступить таким образом, чтобы витки вторичной обмотки w2 не располагались поверх витков w3. Иначе могут возникнуть сбои в работе импульсного блока питания.
     Намотка ведется сразу двумя проводами (две полуобмотки), виток к витку в ряд, затем слой бумаги или скотч и второй ряд двух проводов. ПВХ трубку на концы провода можно не надевать, т.к. провод толстый и ломаться не будет.  Готовый каркас снимается с оправки и надевается на ферритовый сердечник. Предварительно проверьте сердечник на отсутствие зазора.
     Если каркас туго одевается на сердечник, будьте очень осторожны, феррит очень легко ломается.  Сломанный сердечник можно склеить. Я клею клеем ПВА, с последующей просушкой.
     Собранный ферритовый трансформатор, для крепости,  стягивается по торцу скотчем. Нужно проследить, чтобы  торцы половинок сердечника совпали без зазора и сдвига.

Импульсный источник питания: особенности, устройство, топологии

Импульсный источник питания – электронная схема, где входное напряжение выпрямляется, фильтруется, нарезается пачками импульсов высокой частоты для передачи через малогабаритный трансформатор. Блок становится управляемым, с гибко подстраиваемыми параметрами. Уменьшается масса самой тяжелой части источника – трансформатора. В англоязычной литературе такие приборы именуются Switching-Mode Power Supply (SMPS).

Прибор SMPS (импульсный источник питания)

Появление импульсных источников питания

Размеры трансформаторов волновали еще Теслу. Ученый повторяя опыт за опытом, установил: высокие частоты тока безопасны для человека, провоцируют большие потери в сердечниках трансформаторов. Результатом споров стало принятие частоты 60 Гц для строительства Ниагарской ГЭС. Начали с Николы Тесла, потому что это первый человек, который понял, что быстрые колебания механическим способом не получишь. Следовательно, приходится использовать колебательные контуры. Так появился трансформатор Тесла (22 сентября 1896 года), при помощи которого ученый задумал передавать на расстояние сообщения и энергию.

Суть изобретения описана в разделе про катушку Тесла, приведем краткие сведения. Трансформатор образован двумя частями, включенными последовательно. Первичная обмотка первого подключалась к источнику переменного напряжения сравнительно низкой частоты. Благодаря низкому коэффициенту трансформации происходил заряд конденсатора, подключенного ко вторичной обмотке, до  высокого потенциала. Напряжение достигало порога, пробивался разрядник, включенный параллельно конденсатору. Начинался колебательный процесс разряда через первичную обмотку второго трансформатора во внешнюю цепь. Тесла получал напряжения радиодиапазона амплитудой миллионы вольт.

Первые шаг в создании импульсных блоков питания, где напряжение сравнительно низкой частоты преобразуется в импульсы. Аналогичную конструкцию создал в 1910 году Чарльз Кеттеринг, оборудуя системы зажигания автомобилей. Импульсные блоки питания появились в 60-е годы. Идея минимизации размеров трансформаторов (после Николы Тесла) выдвинута компанией General Electric в 1959 году в лице Джозефа Мерфи и Фрэнсиса Старчеца (U.S. Patent 3,040,271). Идея не сразу нашла горячий отклик (отсутствовала подходящая элементная база), в 1970 году компания Тектроникс выпустила линейку осциллографов с новым источником питания.

Осциллограф

Двумя годами позже инверторы находят применение в электронике (Patent US3697854 A ), главное – появляются первые отечественные модели! Патенты ссылаются друг на друга, невозможно понять, кто первым предложил использовать идею в персональных компьютерах. В СССР разработки начались в 1970 году, связано с появлением в продаже высокочастотного мощного германиевого транзистора 2Т809А. Как оговаривается в литературе, первым в 1972 году добился успеха москвич, кандидат технических наук Л. Н. Шаров. Позже появился импульсный блок питания 400 Вт авторством А. И. Гинзбурга, С. А. Эраносяна. Вычислительные машины ЕС новинкой оборудованы в 1976 году коллективом под руководством Ж. А. Мкртчяна.

Первые импульсные блоки питания, известные отечественному потребителю по цифровым телевизорам и видеомагнитофонам, часто ломались, современные изделия лишены недостатка – работают непрерывно годами. Момент начала 90-х годов снабжает следующими сведениями:

1. Удельная мощность: 35 – 120 Вт на кубический дециметр.
2. Рабочая частота инвертора: 30 – 150 кГц.
3. КПД: 75 – 85%.
4. Время наработки на отказ: 50 – 200 тысяч часов (6250 рабочих дней).

Достоинства импульсных блоков питания

Линейные источники питания громоздкие, эффективность хромает. КПД редко превышает 30%. Для импульсных блоков питания средние цифры лежат в диапазоне 70 – 80%, существуют изделия, сильно выбивающиеся из ряда. В лучшую сторону, разумеется. Приводятся сведения: КПД импульсного блока питания достигает 98%. Одновременно снижаются требуемые фильтрации емкости конденсаторов. Энергия, запасаемая за период, сильно падает с повышением частоты. Зависит прямо пропорционально от ёмкости конденсатора, квадратично от амплитуды напряжения.

Повышение до частоты 20 кГц (в сравнении с 50/60) снижает линейные размеры элементов в 4 раза. Цветочки в сравнении с ожиданиями в радиодиапазоне. Объясняет причину оснащения приемников конденсаторами малого размера.

Устройство импульсных источников питания

Входное напряжение выпрямляется. Процесс осуществляет диодный мост, реже одиночный диод. Затем напряжение нарезается импульсами, здесь литература бодро переходят к описанию трансформатора. Читателей наверняка мучает вопрос – как работает чоппер (устройство, формирующее импульсы). На основе микросхемы, питающейся непосредственно сетевым напряжением 230 вольт. Реже специально ставится стабилитрон (стабилизатор параллельного типа).

Микросхема формирует импульсы (20 – 200 кГц), сравнительно малой амплитуды, управляющие тиристором или иным полупроводниковым силовым ключом. Тиристор нарезает высокое напряжение импульсами, по гибкой программе, формируемой микросхемой генератора. Поскольку на входе действует высокое напряжения, нужна защита. Генератор охраняется варистором, сопротивление которого резко падает при превышении порога, замыкая вредный скачок на землю. С силового ключа пачки импульсов поступают на малогабаритный высокочастотный трансформатор. Линейные размеры сравнительно невысоки. Для компьютерного блока питания мощностью 500 Вт умещается детской ладонью.

Полученное напряжения вновь выпрямляется. Используются диоды Шоттки, спасибо низкому падению напряжения перехода металл-полупроводник. Спрямленное напряжение фильтруется, подается потребителям. Благодаря наличию множества вторичных обмоток достаточно просто получаются номиналы различной полярности и амплитуды. Рассказ неполон без упоминания цепи обратной связи. Выходные напряжения сравниваются с эталоном (например, стабилитрон), происходит подстройка режима генератора импульсов: от частоты, скважности зависит передаваемая мощность (амплитуда). Изделия считаются сравнительно неприхотливыми, могут функционировать в широком диапазоне питающих напряжений.

Корпусной блок питания

Технология носит название инверторной, используется сварщиками, микроволновыми печами, индукционными варочными панелями, адаптерами сотовых телефонов, iPad. Компьютерный блок питания работает подобным образом.

Схемотехника импульсных блоков питания

Природой предоставлено 14 базовых топологий реализации импульсных блоков питания. С присущими достоинствами, уникальными характеристиками. Некоторые подходят созданию маломощных блоков питания (ниже 200 Вт), другие лучшие качества проявляют при питании сетевым напряжением 230 вольт (50/60 Гц). И чтобы выбрать нужную топологию, сумейте представить свойства каждой. Исторически первыми называют три:

• Buck – бак, олень, доллар.
• Boost – ускорение.
• Polarity inverter – инвертор полярности.

Три топологии относятся к линейным регуляторам. Тип приборов считается предшественником импульсных блоков питания, не включая достоинств. Напряжение подается через трансформатор, спрямляется, нарезается на силовом ключе. Работой регулятора заведует обратная связь, в задачи которой входит формирование сигнала ошибки. Тип приборов составлял многомиллиардный оборот в 60-е годы, мог лишь понижать напряжение, а общий провод потребителя замыкался с сетью питания.

Схема Buck топологии

Buck топология

Так появились «олени». Первоначально предназначенные для постоянного напряжения нарезали входной сигнал импульсами, затем пачки спрямлялись, фильтровались с получением средней мощности. Обратная связь контролировала скважность, частоту (широтно-импульсная модуляция). Аналогичное делается сегодня компьютерными блоками питания. Практически сразу были достигнуты значения плотности мощности 1 – 4 Вт на кубический дюйм (впоследствии до 50 Вт на кубический дюйм). Прелестно, что стало можно получать множество выходных напряжений, развязанных со входом.

Недостатком сочтем потери в момент переключения транзистора, напряжение меняет полярность, остается ниже нуля до следующего импульса. Указанная часть сигнала, минуя диод, замыкается на землю, не доходя фильтра. Обнаружено существование оптимальных частот переключения, при которых издержки минимизируются. Диапазон 25 – 50 кГц.

Схема Boost топологии

Boost топология

Топология именуется кольцевым дросселем, ставится вперед ключа. Удается повысить входное напряжение до нужного номинала. Схема работает следующим образом:

1. В начальный момент времени транзистор открыт, дроссель запасается энергией источника напряжения через коллекторный, эмиттерный p-n-переходы, землю.
2. Затем ключ запирается, стартует процесс зарядки конденсатора. Дроссель отдает энергию.
3. В некоторый момент отрабатывает усилитель обратной связи, начинается питание нагрузки. Конденсатор неспособен отдать энергию в сторону силового ключа, мешает диод. Заряд забирает полезная нагрузка.
4. Падение напряжения вызовет повторное срабатывание цепи обратной связи, начнется накопление энергии дросселем.

Polarity Inverter топология

Топология полярного инвертора похожа на предыдущую схему, дроссель расположен за ключом. Работает следующим образом:

1. В начальный момент времени ключ открыт, положительной полуволной напряжения наполняет дроссель энергией. Далее энергия пройти бессильна – мешает диод.
2. Транзистор закрывается, в дросселе возникает ЭДС, называемая паразитной. Направлена противоположно начальной, свободно проходит диод, подзаряжая конденсатор.
3. Срабатывает схема обратной связи, широтно-импульсный модулятор вновь открывает транзистор. Начинается процесс разрядки конденсатора в нагрузку, дроссель вновь заполняется энергией.

Схема Polarity Inverter топологии

В этом случае наблюдаем параллельность процессов запасания/расходования энергии. Все три рассмотренные схемы демонстрируют следующие недостатки:

1. Имеется связь по постоянному току между входом и выходом. Другими словами, отсутствует гальваническая развязка.
2. Невозможно получить несколько номиналов напряжений из одной схемы.

Минусы устраняются двухтактной тяни-толкай (push-pull), запаздывающей (latter) топологиями. Обе используют чоппер с технологией опережения (forward). В первом случае используется дифференциальная пара транзисторов. Становится возможным использовать один ключ на половину периода. Для управления нужна специальная формирующая схема, попеременно раскачивающая эти качели, улучшаются условия отвода тепла. Нарезанное напряжение двухполярное, питает первичную обмотку трансформатора, вторичных много – сообразно требованиям потребителей.

В запаздывающей топологии один транзистор заменен диодом. Схема часто эксплуатируется маломощными блоками питания (до 200 Вт) с постоянным напряжением на выходе 60 – 200 В.

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного

Отличия импульсного блока питания от обычного между трансформаторным и импульсными, а также их достоинства и недостатки. Например трансформаторный блок питания, в составе которого имеется трансформатор выполняющий функцию понижения сетевого напряжения до заданного, такая конструкция называется понижающим трансформатором.

Блоки питания работающие в импульсном режиме являются импульсным преобразователем или инвертором. В импульсных источниках питания переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а затем происходит формирование импульсов необходимой частоты. У такого ИП в отличии от обыкновенного силового трансформатора при одинаковой мощности намного меньше потерь и незначительные габаритные размеры полученные в следствии высокочастотного преобразования. p>

Трансформаторные блоки питания

Самым распространенным блоком питания считается конструкция, в составе которого имеется понижающий трансформатор, его определенная обязанность — понижать входное напряжение. Его первичная обмотка намотана с учетом работы с сетевым напряжением. Кроме понижающего трансформатора в таком БП установлен еще выпрямитель собранный на диодах, как правило применяется две пары выпрямительных диодов (диодный мост) и конденсаторах фильтра. Такое устройство служит для преобразования однонаправленного пульсирующего переменного напряжение в постоянное. Не редко применяются и другие конструктивно выполненные устройства, например, выполняющий в выпрямителях функцию удвоения напряжения. Кроме сглаживающих пульсации фильтров, там же могут быть элементы фильтра помех высокой частоты и всплесков, схема защиты от короткого замыкания, полупроводниковые приборы для стабилизации напряжения и тока.

Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Достоинства трансформаторных блоков питания

● Простота в конструировании
● Высокая надежность
● Доступность составляющих компонентов
● Отсутствие паразитных радио-волновых помех (Отличия блоков питания от импульсных блоков питания, которые создают помехи в виде напряжений и токов синусоидальной формы, которые во много раз выше частоты электросети)
● Имеющиеся недостатки трансформаторных блоков питания
● Солидный вес и размеры, особенно высокомощные
● Для изготовления требуется много железа
● Компромиссное решение относительно уменьшения КПД и высокой стабильностью напряжения на выходе: для получения стабильного напряжения необходим стабилизатор, с применением которого появляются дополнительные потери.

Импульсные блоки питания

Отличия импульсного блока питания от обычного — импульсные источники питания это инверторное устройство и является составляющей частью аппаратов бесперебойного электрического питания. В импульсных блоках переменное напряжение на входе вначале выпрямляется, а потом формирует импульсы определенной частоты. Преобразованное выходное постоянное напряжение имеет импульсы прямоугольной формы высокой частоты поступающее на трансформатор или сразу на выходной фильтр нижних частот. В импульсных блоках питания часто используются небольшие по размерам трансформаторы — это вызвано тем, что при возрастании частоты увеличивается эффективность работы устройства, тем самым становятся меньше требования к размерам магнитопровода, необходимого для отдачи равнозначной мощности. В основном такой магнитопровод изготавливается из ферромагнитных материалов служащих проводниками магнитного потока. Отличия источников питания в частности от сердечника трансформатора низкой частоты, для изготовления которых применяется электротехническая сталь.

Отличия импульсного блока питания от обычного — происходящая в импульсных источниках питания стабилизация напряжения возникает за счет цепи отрицательной обратной связи. ООС дает возможность обеспечивать выходное напряжение на достаточно устойчивом уровне не взирая на периодические скачки входящего напряжения и значение сопротивления нагрузки. Отрицательную обратную связь также можно создать иными способами. Относительно импульсных источников питания имеющих гальваническую развязку от электрической сети, наиболее применяемый в таких случаях способ — это образование связи с помощью выходной обмотки трансформатора либо воспользоваться оптроном. С учетом значения величины сигнала отрицательной обратной связи, которое зависит от напряжения на выходе, меняется скважность импульсных сигналов на выходном выводе ШИМ-контроллера. Если можно обойтись без гальванической развязки то, в таком случае, применяется обычный делитель напряжения собранный на постоянных резисторах. В конечном итоге, источник питания обеспечивает выходное напряжение стабильного характера.

Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Достоинства импульсных блоков питания

● Если сравнивать относительно выходной мощности линейный стабилизатор и импульсный, то последний имеет некоторые достоинства:
● Относительно небольшой вес, получившийся в следствии того, что с увеличением частоты можно применять трансформаторы малых габаритов имея аналогичную выдаваемую выходную мощность.
● Большой вес линейного стабилизатора получается за счет использования массивных силовых трансформаторов, а также тяжелых теплоотводов силовых компонентов.
● Высокий КПД, который составляет около 98% полученный в следствии того, что штатные потери происходящие в импульсных стабилизирующих устройствах зависят от переходных процессов на стадии переключения ключа.
● Поскольку больший отрезок времени ключи находятся в стабильном либо включенном или выключенном состоянии, то соответственно и энергетические потери ничтожны;
● Относительно небольшая стоимость, образовавшаяся в следствии выпуска большого количества необходимых электронных элементов, в частности появление на рынке электронных товаров высокомощных транзисторных ключей. ● Помимо всего этого необходимо заметить существенно малую стоимость импульсных трансформаторов при аналогичной отдаваемой в нагрузку мощности.
● Имеющиеся в подавляющем большинстве блоках питания установленных схем защиты от всевозможных нештатных ситуаций, таких как защита от короткого замыкания или если не подключена нагрузка на выходе устройства.

Импульсные блоки питания — устройство, применение, неисправности и ремонт

Среди всех блоков питания можно выделить два основных типа:

• линейные;
• импульсные (инверторные) источники.

В подавляющем большинстве случаев линейный источник питания состоит из трансформатора, преобразующего переменное напряжение, силового выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора. Линейные блоки питания наиболее просты в схемотехническом плане и имеют низкий уровень помех.

Самый крупный недостаток — большие габариты и вес понижающего трансформатора и низкий КПД, особенно в случае большой нестабильности входного напряжения. Массивный силовой трансформатор с большой тепловой инерционностью затрудняет даже принудительное охлаждение при больших нагрузках.

Основные отличия импульсных стабилизаторов.

Импульсные источники питания тоже имеют в составе понижающий трансформатор. Только в данном случае он работает на высокой частоте и имеет несравненно меньшие габариты и массу. Малые габариты элементов облегчают отвод тепла пассивными (применение радиаторов) и активными (вентиляторы) методами.

При фильтрации и стабилизации высокочастотного напряжения с выхода импульсного трансформатора упрощается построение выходных фильтров, поскольку для фильтрации пульсаций напряжения высокой частоты нужна меньшая емкость конденсаторов.

Инверторным блокам питания присущи несколько существенных недостатков — сложное устройство, высокий уровень электромагнитных помех и, в некоторых случаях, гальваническая связь выходных и входных цепей.

Впрочем, отработанная схемотехника подобных устройств в настоящее время уже не считается сложной, а помехи снижаются путем грамотного расчета узлов и дополнительной экранировкой.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Импульсный блок питания состоит из следующих элементов:

• входной выпрямитель;
• блок конденсаторов;
• схема управления;
• выходные ключи;
• импульсный трансформатор;
• вторичные (выходные) стабилизаторы и фильтры.

За счет того, что входное напряжение сначала преобразуется в постоянное, а затем обратно в переменное, точнее, в импульсы высокой частоты, импульсный высокочастотный трансформатор имеет очень малые габариты. Трансформатор преобразует высокочастотное переменное напряжение, поступающее от мощных транзисторных выходных ключей, которые, в свою очередь управляются широтно-импульсным (ШИМ) контроллером.

Такое название схема управления получила из-за того, что изменяя частоту и ширину (длительность) импульсов, можно регулировать время открытия ключевых транзисторов, изменяя, таким образом, значение выходного напряжения.

На ШИМ — контроллер (обычно это одна специализированная микросхема), поступает напряжение обратной связи с выхода блока питания или иные управляющие сигналы. Таким образом можно получить любые алгоритмы стабилизации выходного напряжения.

Стоит отметить, что наибольшей сложностью обладают устройства, которые предназначены для формирования нескольких значений напряжения на выходе с высокими требованиями к стабильности каждого из них. Как пример можно назвать блоки питания персональных компьютеров, телевизоров и других сложных устройств.

Такие блоки питания, как зарядные устройства для мобильных телефонов или иных маломощных гаджетов содержат малогабаритные специализированные микросхемы, в которых уже интегрированы все необходимые элементы. Такие блоки содержат минимум деталей и ремонтируются только энтузиастами, поскольку стоимость отдельных элементов порой сравнима со стоимостью нового зарядного устройства.

Часто производители бытовой техники вообще не предусматривают ремонт, выполняя корпус устройства неразборным или заливая печатную плату вместе с элементами специальным компаундом.

Высокий уровень помех импульсных устройств обусловлен тем, что управляющие импульсы высокой частоты имеют практически прямоугольную форму и поэтому имеют высокий уровень гармонических составляющих в большом диапазоне частот. Мощные транзисторы в момент переключения также становятся сильными источниками электромагнитного излучения. Для снижения помех схемы обычно дополняются помехоподавляющими цепями и заключаются в экранирующий корпус.

Малые габариты устройства и наличие схемы управления позволяют дополнить схемотехнику самыми различными схемами контроля как входного, так и любых выходных цепей, включая программное управление характеристиками.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Импульсные блоки питания в настоящее время используются в подавляющем большинстве устройств мощностью от долей ватта до единиц киловатт. Верхний предел ограничен параметрами выпускаемых на текущий момент транзисторов. Это ограничение можно обойти довольно просто, соединяя несколько идентичных маломощных блоков питания параллельно.

Для одинаковой и равномерной нагрузки отдельных составляющих, они объединяются по сигналам обратной связи. Постоянное совершенствование технологии разработки и конструирования полупроводниковых приборов, создание новых классов транзисторов (IGBT, MOSFET) стимулирует создание все более мощных импульсных устройств.

Даже большое число параллельно включенных устройств по массе и габаритам значительно меньше аналогичного по мощности понижающего трансформатора стандартной частоты 50 Гц, поэтому очень часто делают некоторый избыток блоков для того, чтобы при выходе одного из них он автоматически выключался и работа устройств не нарушалась.

Сам принцип работы обеспечивает широкий диапазон допустимого входного напряжения. Например импульсные блоки питания бытовых устройств при нормальном напряжении сети 220 В, способны работать вплоть до диапазона 80 — 250 В, то есть при таких напряжениях, когда обычный линейный стабилизатор выходит из границ стабильной работы.

ТИПОВЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И РЕМОНТ

Как ни странно будет звучать, но импульсным блокам питания гораздо страшнее низкое входное напряжения, чем высокое. Верхний предел обычно ограничен номинальным напряжением электролитических конденсаторов фильтра и допустимым обратным напряжением выпрямительных диодов.

Длительная работа при пониженном входном напряжении вызывает перегрев и тепловой пробой ключевых транзисторов, поскольку, чем ниже напряжение на входе, тем больше время открытия ключей для получения нужного напряжения на выходе трансформатора.

Многие импульсные блоки питания нестабильно работают, когда нагрузка выхода имеет малое значение или вообще отсутствует. Отсутствие обратной связи на входе ШИМ контроллера приводит к тому, что транзисторные ключи полностью открываются и блок выходит из строя буквально через несколько минут. Соответствующие схемные решения позволяют избавиться от такого недостатка.

Наиболее часто неисправности импульсных блоков питания вызываются:

• выходом из строя диодов выпрямительного моста;
• электролитических конденсаторов сглаживающего фильтра;
• ключевых транзисторов.

Такое обычно происходит в случае сильно завышенного входного напряжения или длительной работы при пониженном. В подавляющем большинстве случаев даже нет необходимости в измерительных приборах — повреждения видны невооруженным глазом по разрушенным и вздувшимся элементам.

Гораздо реже выходят из строя элементы управляющей схемы (ШИМ-контроллера) и обратной связи. В данном случае без измерений не обойтись.

Крайне редки случаи повреждения импульсного трансформатора. Обычно их габариты позволяют выполнять сборку с большими запасами по току и мощности. Поэтому неисправности случаются только при некачественном выполнении.

Практика ремонтов показывает, что львиная доля неисправностей происходит по причине крайне низкого качества некоторых типов электролитических конденсаторов. Падение емкости или большое внутреннее сопротивление конденсаторов выходных цепей может приводить к неправильной работе обратной связи, в результате чего выходное напряжение перестает соответствовать норме.

В некоторых случаях конденсаторы могут вызывать срабатывание защиты. Внешне неисправные конденсаторы могут иметь вздутие на торцах корпуса. Такие элементы следует менять на исправные, не тратя время на их проверку.

Обычно ремонт серьезных импульсных блоков питания требует несколько большей квалификации специалистов, чем ремонт традиционных схем и требует таких измерительных приборов, как осциллограф.

Внимание!

Часть элементов схемы блока питания находится под напряжением сети. Это выпрямительные диоды, конденсаторы, ключевые транзисторы и первичная обмотка импульсного трансформатора.

Ремонт таких устройств можно выполнять только при отключенном блоке с разряженными конденсаторами фильтра. В крайнем случае можно производить некоторые работы и под напряжением, но только с обязательной гальванической развязкой блока от питающей сети через разделительный трансформатор.

Для исключения попадания электромагнитных помех в питающую сеть, на входе блока обычно ставят помехоподавляющий фильтр, элементы которого соединены непосредственно с экранирующим кожухом. Таким образом, кожух оказывается гальванически связан с проводами питающей сети.

При прикосновении к корпусу прибора можно получить удар электрическим током, опасным для жизни. Для обеспечения безопасности, все импульсные блоки питания должны быть в обязательном порядке заземлены или иметь корпус из изоляционного материала.

Современное бытовое оборудование и часть промышленного позволяют производить заземление непосредственно через шнур питания. Для этого в паре розетка — вилка предусмотрены отдельные контакты для подключения заземления.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов