Site Loader

Содержание

Схема лабораторного импульсного блока питания на микросхеме IR2153


Продолжим работу с картиной неизвестного художника «Девочка с персиками и импульсным блоком питания».
Ощущение свежести, молодости, радостно-спокойного настроения создаётся, прежде всего, когда мы рассматриваем девочку, которая, слегка вскинув брови и излучая тихий свет, ласково поглаживает металлический кожух лабораторного ИБП, расположившегося на белоснежной скатерти большого деревянного стола.
С удовольствием позируя художнику, сомкнув губы и пристально всматриваясь в нас, она задумалась о чем-то.

А задумалась она, скорее всего, о том, что импульсный блок питания и лабораторный блок питания — это несколько разные вещи, где-то даже, не вполне совместимые.
Профессиональный мощный лабораторный источник питания с регулируемым выходным напряжением — это здоровый и тяжёлый металлический ящик, с могучими силовыми 50-ти герцовыми трансформаторами, классическими аналоговыми стабилизаторами, и не подвластный ни современным схемотехническим изыскам, ни транспортировке посредством неокрепших девичьих рук.

Зато такую вещь не стыдно подключить к любой самой чувствительной схеме с обострённой реакцией на различные типы наводок по питающим цепям.

Так вот! Такие лабораторные БП мы на этой странице рассматривать не будем!
Для большинства радиолюбительских поделок сгодится и импульсный агрегат. О том, чтобы он не сильно плевался импульсными помехами, как в бытовую электросеть, так и в нагрузку — внимательно позаботимся в рамках данной передовицы.

И, как водится, начнём с жизненно важной схемы (Рис.1), обеспечивающей плавный пуск ИБП и осуществляющей защиту всего устройства от токовых перегрузок и КЗ.


Рис.1

Обстоятельный «разбор полётов» данного узла мы провели на странице Ссылка на страницу, для желающих ознакомиться — добро пожаловать по ссылке.

Далее приведём схему собственно импульсного понижающего преобразователя с регулируемым импульсным стабилизатором напряжения на борту.

Рис.2

Технические характеристики блока питания с импульсным стабилизатором напряжения:

Входное переменное напряжение 180…240 В,
Регулируемое выходное напряжение 1,5…50 В,
Выходной ток во всем диапазоне напряжений, не более 3 А,

Срабатывание защиты по выходному току 3 А,
Срабатывание защиты по входному току 1,5 А,
Уровень пульсаций выходного напряжения, не более 15 мВ.

По большому счёту, всё нарисованное на схеме (Рис.2) мы уже так же подробно обсудили на различных страницах сайта. Поэтому, чтобы не повторяться, приведу ссылки на эти материалы:

Основная часть импульсного блока питания, выполненная на DA1, T1, T2, Tr1, описана на прошлой странице   Ссылка на страницу.
Импульсный регулируемый стабилизатор напряжения на микросхеме LM2576HV-ADJ с картинками — на странице   Ссылка на страницу

Импульсный трансформатор намотан на низкочастотном ферритовом кольце EPCOS N87 с габаритной мощностью 265 Вт и размерами R 30,5×20,0×12,5.

Первичная обмотка содержит 63 витка обмоточного провода диаметром 0,7мм,
Вторичная — 23 витка провода диаметром 1,2мм.

Как правильно мотать эти обмотки, и что делать, если под рукой не оказалось сердечника приведённого типоразмера, опять же, подробно и, опять-таки, с картинками расписано на странице Ссылка на страницу

Поскольку устройство работает в импульсном режиме с достаточно высоким КПД, полупроводники не нуждаются в больших теплоотводах. В нашем случае, для рассевания тепла транзисторов Т1, Т2 достаточно теплоотвода суммарной площадью 100 см2. Такие же радиаторы вполне сгодятся и для выходного выпрямительного моста, и для интегрального стабилизатора DA2.

Если работа источника питания предполагается с нагрузками, не критичными к пульсациям выходного напряжения, вполне допустимо отпочковать от схемы (Рис.2) элементы L2, С9, С10. Уровень пульсаций выходного напряжения в этом случае возрастёт до величины 120-200 мВ.

 

Импульсный блок питания схема с регулировкой напряжения

В статье предложен способ, как из блока питания с фиксированным выходным напряжением сделать регулируемый источник.

В радиолюбительской практике зачастую требуется регулируемый источник питания 3,5. 12 В с выходным током до 1,5. 2 А. Чтобы не делать такой БП заново, можно доработать уже имеющийся с фиксированным выходным напряжением. В зависимости от схемы БП его доработка может быть очень простой.

Таким блоком оказался БП JTA0302E-E (рис. 1), который представляет собой обратноходовый преобразователь напряжения, собранный на специализированной микросхеме UC3843B и полевом транзисторе STP4NK60ZFP. На входе и выходе БП установлены LC-фильтры, стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью микросхемы TL431AC (параллельный стабилизатор напряжения) и оптопары PC817 (или аналогичной). Согласно заявленным производителем параметрам БП JTA0302E-E при сетевом напряжении 110. 240 В обеспечивает выходное стабилизированное напряжение 5 В при токе нагрузки до 2,5 А. На самом деле выходное напряжение без нагрузки было немногим более 5,2 В. Сделано это, видимо, для компенсации падения напряжения на выходном двухпроводном кабеле при максимальном токе нагрузки. Логично предположить, что при напряжении сети 230 ± 5 % В он сможет «выдать» 12 В при токе до 1 А. Небольшая доработка позволит превратить его в регулируемый с выходным напряжением от 3,5 до 10. 12 В.

Рис. 1. БП JTA0302E-E

Фрагмент выходной цепи дорабатываемого БП показан на рис. 2. Все доработки и вновь введённые элементы выделены цветом. Обозначения штатных элементов приведены в соответствии с печатной платой, а должены. Особенность оригинального БП — значение выходного напряжения задано с помощью резистивного делителя R15R16 в цепи управляющего входа микросхемы U3. Если в этот делитель ввести переменный резистор (в нашем случае — R18), это позволит плавно регулировать выходное напряжение. В этом случае стабилитрон ZD2 (на напряжение стабилизации 6,2 В) удаляют, резистор RLзаменяют другим, с вдвое большим сопротивлением. Для индикации наличия выходного напряжения установлен светодиод HL1 с токоограничивающим резистором R19. Чтобы свечение светодиода было заметно во всём интервале выходного напряжения, он должен быть с повышенной яркостью свечения.

Рис. 2. Фрагмент выходной цепи дорабатываемого БП

Доработка БП — несложная. Переменный резистор (СП4-1 или аналогичный по размерам) и светодиод устанавливают на задней стенке корпуса БП (рис. 3). Для них просверлены отверстия соответствующего диаметра. Сглаживающий конденсатор С1 (см. рис. 1) на выходе мостового выпрямителя разворачивают на плате в про-тивоположую сторону. Освободившееся место займёт переменный резистор. Резисторы R15 и R16 установлены перпендикулярно плате, поэтому их можно не выпаивать, а просто перекусить по одному выводу, к которым припаивают изолированные провода, соединяющие их с выводами переменного резистора R18. Стабилитрон ZD2 (он расположен рядом с резисторами R15, R16) также можно не выпаивать, а перекусить один из его выводов — в авторском варианте было сделано именно так. В результате с переменным резистором R18 сопротивлением 10 кОм интервал регулировки выходного напряжения получился 3,5. 8 В. Если применить резистор R18 с большим сопротивлением, интервал регулировки расширится в обе стороны. При этом нижний предел можно скорректировать подборкой резистора R15, верхний — резистора R16. После проверки и налаживания переменный резистор снабжают шкалой (рис. 3), которую градуируют с помощью вольтметра постоянного тока. Но следует учесть, что минимальный нижний предел — 3,3. 3,5 В. Обусловлено это тем, что минимальное падение напряжения на микросхеме U3 — около 2 В, а на излучающем диоде оптопары U1.2 — 1,1. 1,2 В.

Рис. 3. Внешний вид доработанного БП

Были проведены испытания доработанного БП для различных выходных напряжений от 3,5 до 10 В. При изменении выходного тока от 0 до 1,5 А (при выходном напряжении до 10 В) и 2,5 А (при напряжении до 5 В) выходное напряжение уменьшалось на несколько милливольт (измерение проводилось непосредственно на выходе БП), амплитуда пульсаций не превысила 15 мВ, а полевой транзистор нагревался умеренно. Однако при установке выходного напряжения менее 3,3 В на выходе наблюдались релаксационные колебания с амплитудой пульсаций около 1 В. Причина этого — недостаточное напряжение на микросхеме U3 и излучающем диоде оптопары U1.2.

Следует учесть, что в выходной цепи БП применены конденсаторы С9-С11 с номинальным напряжением 10 В, поэтому выходное напряжение не должно превышать этого значения, а с учётом падения напряжения на дросселе L2 должно быть даже меньше. Если планируется увеличить верхний предел до 12 В, эти конденсаторы необходимо заменить другими с такой же ёмкостью и большим номинальным напряжением.

Автор: И. Нечаев, г. Москва

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:

Каждому радиолюбителю, ремонтнику или просто мастеру необходим источник питания, чтобы питать свои схемы, тестировать их при помощи блока питания, либо же просто иногда необходимо зарядить аккумулятор. Случилось так, что и я увлекся этой темой некоторое время назад и мне так же стал необходим подобный девайс. Как обычно, по этому вопросу было перелопачено много страниц в интернете, следил за многими темами на форумах, но точно того, что было нужно мне в моем представлении не было нигде — тогда было решено все сделать самому, собрав всю необходимую информацию по частям. Таким образом родился на свет импульсный лабораторный блок питания на микросхеме TL494.

Что особенного – да вроде мало чего, но я поясню – переделывать родной блок питания компьютера все на той же печатной плате мне кажется не совсем по фен-шую, да и не красиво. С корпусом та же история – дырявая железяка просто не смотрится, хотя если есть фанаты такого стиля, ничего против не имею. Поэтому в основе данной конструкции лежат лишь основные детали от родного компьютерного блока питания, а вот печатная плата (точнее печатные платы – их на самом деле три) сделана уже отдельно и специально под корпус. Корпус здесь состоит также из двух частей – само собой основа корпус Kradex Z4A, а так же вентилятор (кулер), который вы можете видеть на фото. Он является как бы продолжением корпуса, но обо всем по порядку.

Схема блока питания:

Список деталей вы можете увидеть в конце статьи. А теперь коротко разберем схему импульсного лабораторного блока питания. Схема работает на микросхеме TL494, существует много аналогов, однако рекомендую все же использовать оригинальные микросхемы, стоят они совсем недорого, а работают надежно в отличие от китайских аналогов и подделок. Можно также разобрать несколько старых блоков питания от компьютеров и насобирать необходимых деталей от туда, но я рекомендую по возможности использовать все же новые детали и микросхемы – это повысит шанс на успех, так сказать. По причине того, что выходная мощность встроенных ключевых элементов TL494 не достаточная, чтобы управлять мощными транзисторами, работающих на основной импульсный трансформатор Tr2, строится схема управления силовыми транзисторами T3 и T4 с применением управляющего трансформатора Tr1. Данный трансформатор управления использован от старого блока питания компьютера без внесения изменений в состав обмоток. Трансформатор управления Tr1 раскачивается транзисторами T1 и T2.

Сигналы управляющего трансформатора через диоды D8 и D9 поступают на базы силовых транзисторов. Транзисторы T3 и T4 используются биполярные марки MJE13009, можно использовать транзисторы на меньший ток – MJE13007, но здесь все же лучше оставить на больший ток, чтобы повысить надежность и мощность схемы, хотя от короткого замыкания в высоковольтных цепях схемы это не спасет. Далее эти транзисторы раскачивают трансформатор Tr2, который преобразует выпрямленное напряжение 310 вольт от диодного моста VDS1 в необходимое нам (в данном случае 30 – 31 вольт). Данные по перемотке (или намотке с нуля) трансформатора чуть позже. Выходное напряжение снимается с вторичных обмоток этого трансформатора, к которым подключается выпрямитель и ряд фильтров, чтобы напряжение было максимально без пульсаций. Выпрямитель необходимо использовать на диодах Шоттки, чтобы минимизировать потери при выпрямлении и исключить большой нагрев этого элемента, по схеме используется сдвоенный диод Шоттки D15. Здесь также чем больше допустимый ток диодов, тем лучше. При неосторожности при первых запусках схемы большая вероятность испортить эти диоды и силовые транзисторы T3 и T4. В выходных фильтрах схемы стоит использовать электролитические конденсаторы с низким ЭПС (Low ESR). Дроссели L5 и L6 были использованы от старых блоков питания компьютеров (хотя как старых – просто неисправных, но достаточно новых и мощных, кажется 550 Вт). L6 использован без изменения обмотки, представляет собой цилиндр с десятком или около того витков толстого медного провода. L5 необходимо перемотать, так как в компьютере используется несколько уровней напряжения – нам нужно только одно напряжение, которое мы будем регулировать.

L5 представляет собой кольцо желтого цвета (не всякое кольцо пойдет, так как могут применяться ферриты с разными характеристиками, нам нужно именно желтого цвета). На это кольцо нужно намотать примерно 50 витков медного провода диаметром 1,5 мм. Резистор R34 гасящий – он разряжает конденсаторы, чтобы при регулировке не возникло ситуации долгого ожидания уменьшения напряжения при повороте ручки регулировки.

Наиболее подверженные нагреву элементы T3 и T4, а также D15 устанавливаются на радиаторы. В данной конструкции они были также взяты от старых блоков и отформатированы (отрезаны и изогнуты под размеры корпуса и печатной платы).

Схема является импульсной и может вносить в бытовую сеть собственные помехи, поэтому необходимо использовать синфазный дроссель L2. Чтобы отфильтровывать уже имеющиеся помехи сети используются фильтры с применением дросселей L3 и L4. Терморезистор NTC1 исключит скачок тока в момент включения схемы в розетку, старт схемы получится более мягкий.

Чтобы управлять напряжением и током, а также для работы микросхемы TL494 необходимо напряжение более низкого уровня, чем 310 вольт, поэтому используется отдельная схема питания для этого. Построена она на малогабаритном трансформаторе Tr3 BV EI 382 1189. С вторичной обмотки напряжение выпрямляется и сглаживается конденсатором – просто и сердито. Таким образом, получаем 12 вольт, необходимые для управляющей части схемы блока питания. Далее 12 вольт стабилизируются до 5 вольт при помощи микросхемы линейного стабилизатора 7805 – это напряжение используется для схемы индикации напряжения и тока. Также искусственно создается напряжение -5 вольт для питания операционного усилителя схемы индикации напряжения и тока. В принципе можно использовать любую доступную схему вольтметра и амперметра для данного блока питания и при отсутствии необходимости данный каскад стабилизации напряжения можно исключить. Как правило, используются схемы измерения и индикации, построенные на микроконтроллерах, которым необходимо питания порядка 3,3 – 5 вольта. Подключение амперметра и вольтметра указано на схеме.

На фото печатная плата с микроконтроллером — амперметр и вольтметр, к панели прикреплены на болтики, которые ввинчиваются в гайки, надежно приклеенные к пластмассе супер клеем. Данный индикатор имеет ограничение по измерению тока до 9,99 А, что явно маловато для данного блока питания. Кроме как функций индикации модуль измерения тока и напряжения больше никак не задействован относительно основной платы устройства. Функционально подойдет любой измерительный модуль на замену.

Схема регулировки напряжения и тока построена на четырех операционных усилителях (используется LM324 – четыре операционных усилителя в одном корпусе). Для питания этой микросхемы стоит использовать фильтр по питания на элементах L1 и C1, C2. Настройка схемы заключается в подборе элементов, помеченных звездочкой для задания диапазонов регулирования. Схема регулировки собрана на отдельной печатной плате. Кроме того, для более плавной регулировки по току можно использовать несколько переменных резисторов соединенных соответствующим образом.

Для задания частоты преобразователя необходимо подобрать номинал конденсатора C3 и номинал резистора R3. На схеме указана небольшая табличка с расчетными данными. Слишком большая частота может увеличить потери на силовых транзисторах при переключении, поэтому слишком увлекаться не стоит, оптимально, на мой взгляд, использовать частоту 70-80 кГц, а то и меньше.

Теперь о параметрах намотки или перемотки трансформатора Tr2. Основу я также использовал от старых блоков питания компьютера. Если большой ток и большое напряжения вам не нужны, то можно такой трансформатор не перематывать, а использовать готовый, соединив обмотки соответствующим образом. Однако если необходим больший ток и напряжение, то трансформатор необходимо перемотать, чтобы получить более лучший результат. Прежде всего придется разобрать сердечник, который у нас имеется. Это самый ответственный момент, так как ферриты достаточно хрупкие, а ломать их не стоит, иначе все на мусор. Итак, чтобы разобрать сердечник, его необходимо нагреть, так как для склеивания половинок обычно изготовитель использует эпоксидную смолу, которая при нагреве размягчается. Открытые источники огня использовать не стоит. Хорошо подойдет электронагревательное оборудование, в бытовых условиях – это, например электроплита. При нагреве аккуратно разъединяем половинки сердечника. После остывания снимаем все родные обмотки. Теперь нужно рассчитать необходимое количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Для этого можно использовать программу ExcellentIT(5000), в которой задаем необходимые нам параметры преобразователя и получаем расчет количества витков относительно используемого сердечника. Далее после намотки сердечник трансформатор необходимо обратно склеить, желательно также использовать высокопрочный клей или эпоксидную смолу. При покупке нового сердечника потребность в склейке может отсутствовать, так как часто половинки сердечника могут стягиваться металлическими скобами и болтиками. Обмотки необходимо наматывать плотно, чтобы исключить акустический шум при работе устройства. По желанию обмотки можно заливать какими-нибудь парафинами.

Печатные платы проектировались для корпуса Z4A. Сам корпус подвергается небольшим доработкам, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха для охлаждения. Для этого по бокам и сзади сверлится несколько отверстий, а сверху прорезаем отверстие для вентилятора. Вентилятор дует вниз, лишний воздух уходит через отверстия. Можно вентилятор расположить и наоборот, чтоы он высасывал воздух из корпуса. По факту охлаждение вентилятором редко когда понадобится, к тому же даже при больших нагрузках элементы схемы сильно не греются.

Также подготавливаются лицевые панели. Индикаторы напряжения и тока используются с применением семисегментных индикаторов, а в качестве светофильтра для этих индикаторов используется металлизированная антистатическая пленка, наподобие той, в которую упаковывают радиоэлементы с пометкой чувствительности к электростатике. Можно также использовать полупрозрачную пленку, которую клеят на оконные стекла, либо тонирующую пленку для автомобилей. Набор элементов на лицевой панели спереди и сзади можно компоновать по любому вкусу. В моем случае сзади разъем для подключения к розетке, отсек предохранителя и выключатель. Спереди – индикаторы тока и напряжения, светодиоды индикации стабилизации тока (красный) и стабилизации напряжения (зеленый), ручки переменных резисторов для регулировки тока и напряжения и быстрозажимной разъем, к которому подключено выходное напряжение.

При правильной сборке блок питания нуждается только в подстройке диапазонов регулирования.

Защита по току (стабилизация по току) работает следующим образом: при превышении установленного тока на микросхему TL494 подается сигнал о снижении напряжения – чем меньше напряжение, тем меньше ток. При этом на лицевой панели загорается красный светодиод, сигнализирующий о превышении установленного тока, либо о коротком замыкании. В нормальном режиме стабилизации напряжения горит зеленый светодиод.

Основные характеристики импульсного лабораторного блока питания зависят в основном от применяемой элементной базы, в данном варианте характеристики следующие:

  • Входное напряжение – 220 вольт переменного тока
  • Выходное напряжение – от 0 до 30 вольт постоянного тока
  • Выходной ток составляет более 15 А (фактически тестированное значение)
  • Режим стабилизации напряжения
  • Режим стабилизации тока (защита от короткого замыкания)
  • Индикация обоих режимов светодиодами
  • Малые габариты и вес при большой мощности
  • Регулировка ограничения тока и напряжения

Подводя итог, можно отметить, что лабораторный блок питания получился достаточно качественный и мощный. Это позволяет использовать данный вариант блока питания как для тестирования каких-то своих схем, так и вплоть до зарядки автомобильных аккумуляторов. Стоит отметить также то, что емкости на выходе стоят достаточно большие, поэтому коротких замыканий лучше не допускать, так как разряд конденсаторов с большой вероятностью может вывести схему из строя (ту, к которой подключаемся), однако без этой емкости выходное напряжение будет хуже – возрастут пульсации. Это особенность именно импульсного блока, в аналоговых блока питания выходная емкость не превышает 10 мкФ как правило в силу своей схемотехники. Таким образом, получаем универсальный лабораторный импульсный блок питания способный работать в широком диапазоне нагрузок практически от нуля до десятков ампер и вольт. Блок питания прекрасно зарекомендовал себя как при питании небольших схем при тестировании (но тут защита от КЗ поможет мало из-за большой выходной емкости) с потреблением в миллиамперы, так и в применении в ситуациях, кода необходима большая выходная мощность за время моего скудного опыта в области электроники.

Этот лабораторный блок питания я сделал около 4 лет назад, когда только начинал делать первые шаги в электронике. До настоящего времени ни одной поломку с учетом того, что работал часто далеко за пределами 10 ампер (зарядка автомобильных аккумуляторов). При описании за счет давнего срока изготовления мог что-то упустить, вопросы, замечания складывайте в комментариях.

По для расчета трансформатора: ExcellentIT

Прилагаю к статье печатные платы (вольтметр и амперметр сюда не входят — можно применять абсолютно любые).

Требования были следующие: регулируемое выходное напряжение до 30 В с регулируемым токоограничением до 5 А. Разумеется должна применяться цифровая индикация. Дизайн должен напоминать MASTECH HY3005D и им подобные. Единственное — мне никогда не нравилось что первый прибор показывает ток. Ну неправильно это — напряжение всегда первично, соответственно первый прибор должен показывать именно напряжение.

Первоначально проектировал схему на базе линейного стабилизатора К142ЕН2А, но в итоге отказался от этой идеи — низкий КПД, регулирующий силовой транзистор сильно грелся даже с учетом того что был предусмотрен переключатель отпаек на вторичной стороне трансформатора. Да и вообще всё как-то криво работало. Пришлось выпилить.

Второй вариант схемы разработал на базе легендарного ШИМ-контроллера TL494, который в разных вариациях встречается во многих компьютерных блоках питания. На этот раз всё получилось как надо.

Вкратце о конструкции:

Принципиальная схема (кликабельно)

Как уже говорил — девайс собрал из запчастей, большинство которых были в радиусе 5 метров от меня.

Понижающий трансформатор нашелся под столом, марки я его не знаю. Напряжение на вторичке около 40 В.
D1 — TL494, VD1 — диод шоттки и тороидальный дроссель L1 выпаял из неисправного компьютерного блока питания: диод шоттки используется в схеме выпрямления, он установлен на радиаторе возле импульсного трансформатора, тороидальный дроссель расположен рядом с ним.
LM358 — весьма хороший и распространенный операционный усилитель. Продаётся почти на каждом углу. Рекомендован к приобретению.
Шунт R12 — взял из какого-то старого связисткого оборудования: представляет собой 3 толстых изогнутых проволочки.

Резисторы R9, R10 используются для регулирования выходного напряжения (грубо, точно). Резисторы R3, R4 используются для регулирования токоограничения (грубо, точно).
При наладке БП подстроечным резистором R15 регулируется порог переключения светодиодной сигнализации. Еще возникли проблемы с интегральным стабилизатором 7805 — при входном напряжении около 40 В он начинал ужасно глючить — просаживал выходное напряжение, решил проблему установив по входу 1 Вт гасящий резистор R13.

Сам корпус взят от древнего самопишущего регистратора. Компоновка получилась следующей — в середине корпуса установлен силовой трансформатор, который вошел туда как родной, видимо они были созданы друг для друга. В передней части БП расположена электронная схема управления, органы управления и сигнализации. В задней части корпуса расположена вся силовая электроника. Таким образом трансформатор как бы делит БП на 2 части — слаботочную и силовую.

Передняя часть корпуса с откинутой лицевой крышкой. Цифровые измерительные приборы приехали из Китая, они заводского производства. Электронная схема управления состоит из 2 плат: плата регулятора напряжения — TL494 c обвязкой, и плата сигнализации — включает в себя микросхемы D3,D4. Почему не сделал на одной плате? Просто сигнализацию я делал несколько позже чем регулятор, и отдельно доводил её «до ума». Там тоже были свои заморочки.

Задняя часть корпуса. На общем радиаторе установлены диодный мост KBPC 3510, силовой транзистор КТ827А, дроссель L1, шунт R12. Всё это дело изнутри обдувается 12 сантиметровым вентилятором. В задней части корпуса установлены также предохранители, сглаживающие конденсаторы C1, C4 и маленький вспомогательный импульсный блок питания для работы вентилятора и цифровых измерительных приборов.

Конечно, можно было бы купить фирменный БП и не городить огород. Но иногда хочется самому поизобретать велосипед

Если кто-то задумает повторить конструкцию вот здесь выложил принципиальную схему в высоком разрешении и чертежи печатных плат в формате Sprint Layout.

По прошествии времени пользователи в комментариях поделились своими модификациями блоков питания. Рассмотрим подробнее предложенные варианты. Обсуждение всех конструкций по-прежнему доступно в комментариях

Предложена acxat_smr

Драйвер полевика (точнее, двух параллельно — выравниванием токов занимаются сами полевики) запитан от отдельного источника 15в. У себя взял промагрегат 9-36в/15в TEN 12-2413. От него же запитаны кулеры.
TL494 запитана от отдельного источника 24 в.
Потенциометр вольтажа любой, замер тока с шунта амперметра. Трансформатор выдает 34 в, выпрямленного около 45.
Проблема мощности упиралась в дросселе. Если 5-амперник нормально шел, то 20 помучал.
Практическим путем нашел вариант два параллельно на кольцах от компового. 23 витка проводом 1,15мм.

Внешний вид конструкции

Предложена rond_60

Недавно натолкнулся на эту статью про ЛБП на TL494. Загорелся желанием собрать БП по этой схеме, тем более уже давно валялся трансформатор от польского блока питания на 24в и 4а. Вторичка выдает 34в переменки, после моста с кондером 10000х63в — 42в. Собрал навесным монтажом по этой схеме, включил и сразу дым из 494-й. Все проверил, заменил микросхему, включаю — на холостом работает, на выходе напряжение пытается регулироваться, прикоснулся к 494 — горячая! Добавил номинал 4.7к резистору R1 — блок работает, но стоило подключить лампочку 24в 21вт, как взорвалась микросхема в районе 9, 10 ножки. Отмотал с вторичной обмотки транс-ра несколько витков (снизил напряжение на 4 вольта) и все равно горят микросхемы. Питание на 8,11,12 ноги подавал 12в с другого БП, мотал дроссель разным по диаметру проводом и количеством витков — толку нет (сжег 6 микрух). У меня есть кой — какой опыт по переделке компьютерных блоков в зарядные устройства и регулируемые блоки питания на основе TL494 и ее аналогах. Начал собирать обвязку ШИМа по схемам к комповым БП. Изменил управление силовым транзистором, подал питание на ШИМ от отдельного источника на 12в (переделал зарядку от сотового телефона) и все — блок заработал! Пару дней настраивал на регулировки и свист дросселя (оссцила нет) теперь надо отлутить плату управления и можно собирать в корпус.

Сегодня настраивал свой БП. Спасибо большое shc68 за подсказку проверять пульсации на выходе динамиком если нет осциллографа. При малой нагрузке (лампочка 12в, 21вт) из динамика слышался гул и вой когда крутил регулятор тока. Устранил это безобразие установкой дополнительных конденсаторов (на схеме обведено красным цветом).
Как рекомендовал shc68 конденсатор С15 действительно жизненно важный. Еще с помощью динамика определил бракованный потенциометр на регулировку тока. При его вращении из динамика слышался шорох и треск. После его замены и установки доп. конденсаторов из динамика тишина (чуть слышное шипение) при разной нагрузке на выходе БП.
Делал тест на нагрев деталей блока. При такой нагрузке в течении 1.5 часов только транзистор грелся (трогал пальцем его корпус), а радиатор, где он установлен, чуть теплый (обдувается вентилятором). Дроссель — холодный, трансформатор тоже.

Внешний вид конструкции

Предложена andrej_l

За основу была взята схема с полевиком https://ic.pics.livejournal.com/rond_60/78751049/3328/3328_original.jpg
При отладке появились проблемы с управлением полевика через трансформатор. На небольших токах нагрузки он работал, при увеличении более 2 ампер происходил срыв и падение тока (при скважности ШИМ > 30%). Пришлось убрать трансформатор и вместо него поставить оптодрайвер ACPL3180 с питанием от отдельной обмотки трансформатора.
Сделал 2 независимых канала с регулировкой напряжения до 30V и ограничения тока до 10A. Второй канал запустился сразу, только пришлось подстроить максимальные значения напряжения и тока. Регулировочные резисторы — 10 оборотные
https://ru.aliexpress.com/item/Free-Shipping-3590S-2-103L-3590S-10K-ohm-Precision-Multiturn-Potentiometer-10-Ring-Adjustable-Resistor/32673624883.html?spm=a2g0s.11045068.rcmd404.3.de3456a4CSwuV3&pv >В качестве V-A метра применён китайский модуль
https://ru.aliexpress.com/item/DC-100-10A-50A-100A/32834619911.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.466b33edLWGUwZ с доработкой, достигнута точность показаний 2% при больших токах и 10 мА при токах до 1А.
Радиатор на транзисторе и диоде один от компьютерного блока питания. При нагрузке на лампу 15V 150W он нагревается до 80 градусов (больше греется диод). Настроил включение вентилятора охлаждения на 50 град. (один на 2 канала)
Окончательная схема одного канала

Rшунт 0,0015 Ом — Это встроенный шунт прибора, к нему добавляются сопротивление проводов от индикатора до клемм XS104 и «-«, при большом токе они оказывают значительное влияние. Провод 1,5 кв.мм
Настройка:
1 Запускаем задающий генератор на TL494 и драйвер с отключенным затвором VT101. На выходе драйвера будет ШИМ около 90%. Настраиваем частоту TL в пределах 80 — 100 кГц подбирая R107
2 Подключаем затвор транзистора (для подстраховки питание +45 подаём через токоограничивающий балласт, я брал 2 лампы 24V 150W последовательно) и смотрим выход БП. Подключаем небольшую нагрузку (я брал 100 Ом). Если напряжение на выходе регулируется то устанавливаем максимальное значение выхода с помощью R122.
3 Убираем токоограничивающий балласт, нагружаем выход сильнотоковой нагрузкой (я брал лампу 15V 150W) и настраиваем максимальный ток в нагрузке: R106 постепенно выводим в нижнее по схеме положение, подбираем R104 и R105 добиваясь срабатывания защиты по току (у меня ограничение по току 10А). При сработке токовой защиты регулировка напряжения с помощью R101 в большую сторону не приводит к его росту на выходе.
4 Узел индикации на операционнике и светодиодах не нуждается в настройке (его единственный недостаток — небольшая подсветка красного светодиода когда горит зелёный, можно исправить включив последовательно с красным обычный диод.
5 настраиваем Р101 на нужную температуру срабатывания вентилятора нагрузив блок питания на приличную нагрузку измеряя температуру диода и транзистора на радиаторе.

Простой и доступный блок питания 0..50В

Хотелось бы представить вниманию читателя замечательную схему лабораторного блока питания (ЛБП) с регулировкой стабилизированного напряжения 0..50В и регулировкой тока до 1,5А.

Разработка простого и доступного блока питания (ПиДБП 0…50В) велась на форуме сайта «Паяльник» по инициативе пользователя с именем Olegrmz. На момент написания этой статьи, на форуме ветка насчитывала около 500 страниц обсуждения данной схемы и примерно 18 её вариантов. Все варианты рабочие со своими особенностями. Наиболее стабильная и популярная версия простого и доступного блока питания – это версия v16y2. Именно ее я хочу представить вниманию читателя.

Преимуществом схемного решения ПиДБП в отличие от общепринятых схем на операционных усилителях (ОУ) является то, что выходное напряжение может достигать 50В, а не ограничиваться напряжением питания ОУ (32В), как в подавляющем большинстве схем ЛБП.

Стабильность устройства и его повторяемость просто замечательные. Поэтому, я рекомендую читателю собрать этот простой и доступный лабораторный блок питания для своей домашней мастерской.

Схема простого и доступного БП 0…50В (версия v16y2)

 

Схема состоит из следующих узлов: выпрямитель с фильтром, стабилизатор напряжения +12В, стабилизация напряжения, стабилизация тока, индикация, регулирующий узел и защита от перегрева.

Выпрямитель состоит из понижающего трансформатора TV1, диодного моста VDS1 и фильтра C1.

Стабилизатор напряжения +12В выполнен на основе микросхемы VD1 и на транзисторе VT1. Стабилизированным напряжением +12В питается операционный усилитель DA1. Также это значение используется, как источник опорного напряжения в узлах регулировки.

Регулирующий узел состоит из двух транзисторов VT2 и VT4, включенных по схеме составного транзистора для увеличения коэффициента усиления. VT4 является самым нагруженным элементом. На нем рассеивается большое количество тепла, пропорциональное разности между входным и выходным напряжением при протекании через него тока нагрузки. Транзисторами VT2 и VT4 управляет VT3.

Как видно по схеме, транзистор VT2 прямой проводимости (PNP). Ниже представлена схема включения транзистора с обратной проводимостью NPN. Именно под такую структуру (NPN) транзистора VT2 разведена печатная плата (ссылка под статьей).

Узел стабилизации напряжения выполнен на ОУ DA1.1, который сравнивает часть напряжения с выхода лабораторного блока питания (инверсный вход) с частью опорного значения (прямой вход), а сигнал рассогласования поступает на базу транзистора VT3.

Узел стабилизации тока выполнен на ОУ DA1.2, который сравнивает падение напряжения на шунте R27 (падение на нем пропорционально току нагрузки ЛБП) с частью опорного значения. Сигнал рассогласования поступает на транзистор VT3. Узлы стабилизации тока и напряжении работают параллельно и это плюс в скорости работы системы автоматического регулирования.

Узел индикации выполнен на ОУ DA1.4, работающим как компаратор, который управляет свечением светодиодов HL1 и HL2 в зависимости от режима стабилизации (тока или напряжения). Этот узел не обязателен, но мне очень удобно видеть порог включения режима стабилизации тока при проверке некоторых устройств.

При замкнутом ключе S1 блок питания перестает работать в режиме стабилизации тока, а включается триггерная защита (DA1.2 взаимодействует с DA1.4), которая при превышении установленного порога снижает до нуля выходной ток ЛБП до тех пор, пока не будет разорван ключ S1.

Узел тепловой защиты также не обязателен и монтаж его элементов выполняется по желанию. Выполнен он на операционном усилителе DA1.3. Этот операционный усилитель сравнивает часть опорного значения со значением делителя R31R32. При росте температуры сопротивление R31 уменьшается и на инверсном входе DA1.3 потенциал увеличивается и когда он будет больше чем потенциал на прямом входе (установленное значение с помощью R34) то на выходе DA1.3 появится земля (GND). При этом светодиод HL3 засветится, транзистор VT3, а вслед за ним VT4 и VT2 закроются. На выходе блока питания будет нуль. Это полезная функция, если габариты теплоотвода транзистора VT2 не позволяют долговременно рассеивать необходимую мощность. Также, это полезно, если радиатор силового транзистора установлен внутри корпуса, без принудительного охлаждения.

Подстроечный резистор R22 позволяет выставить максимальное напряжение на выходе блока питания под возможности трансформатора. Его необходимо подстраивать на номинальном токе.

Переменным резистором R26 регулируется ток, а резистором R20 регулируется напряжение.

Диод VD2 защищает элементы схемы от встречного напряжения. Это необходимо, когда к блоку питания подключается аккумулятор или устройство с заряженными емкостями.

Диод VD5 защищает от перепутывания полярности при подключении нагрузки, например того же аккумулятора или заряженной емкости.

Компоненты схемы

Все номиналы указаны на схеме, и если их все соблюсти при сборке, то он запустится без проблем. Также на схеме в скобках указаны номиналы для входного напряжения 50В.

Микросхема DA1 является счетверенным операционным усилителем LM324. Все четыре канала независимы друг от друга. Особенностью этого ОУ является наличие на его входах PNP транзисторов. Поэтому, при замене LM324 необходимо подбирать аналог с наличием биполярных PNP транзисторов на входе, а также, чтобы аналог мог обеспечить близкое к нулю выходное напряжение смещения нуля. Микросхему LM324 можно заменить двумя микросхемами LM358 (потребуется новая разводка печатной платы).

Диодный мост можно собрать из выпрямительных диодов 1N5408 или применить готовый мост типа KBU610 или KBU810. Фильтрующая емкость C1 (10 000мкФ) при заряде будет обеспечивать довольно большой ток через мост, это нужно учитывать.

Для удобства регулирования выходных параметров блока питания необходимо применять переменные резисторы R20 и R26 с линейной зависимостью. Если применить потенциометры с логарифмической зависимостью, то при повороте их ручек на один и тот же угол сопротивление будет изменяться неравномерно. Это особенно заметно, если на корпусе нарисована равномерная (линейная) шкала с цифровыми значениями.

Подстроечные резисторы R22 и R34 лучше применить многооборотные типа 3296W, они позволяют плавно и удобно выполнять настройку устройства.

В качестве R31 я использовал термистор сопротивлением 10кОм с отрицательным температурным коэффициентом.

Транзистор VT2 для печатной платы, приложенной к статье должен быть NPN проводимости. Его номинальный ток коллектора и Uкэ выбирается с запасом. Кроме того, должен быть запас рассеиваемой мощности. Так, при Uвх=50В, Uвых=3В и Iнагр=1,5А рассеиваемая мощность на транзисторе будет равна P=(50В-3В)×1,5А=71Вт. Что очень даже немало. Для такого случая транзистор должен быть рассчитан на рассеиваемую мощность не менее 100-120Вт и иметь хорошее охлаждение (читать ниже).

Я в качестве VT2 установил 2N3055, можно поставить TIP35C или 2SC5200.

Охлаждение

Охлаждать необходимо корпус VT2. Теплоотвод нужно устанавливать снаружи корпуса блока питания для эффективной естественной конвекции, либо необходимо применять активное (принудительное) охлаждение. Площадь радиатора при пассивном охлаждении рекомендую выбирать расчета 10-20см2 на 1Вт рассеиваемой мощности транзистора, которая равняется P=(Uвх-Uвых)×Iнагр. Если планируется долговременная работа с нагрузкой то берем 20см2 на 1Вт, а если ЛБП будет использоваться только для проверок или запуска устройств, то можно обойтись и 10см2 на 1Вт.

Трансформатор

Вторичная обмотка трансформатора должна быть рассчитана на ток, не меньше максимального тока нагрузки (1,5), а лучше, чтобы он имел запас. Напряжение вторичной обмотки выбирается под нужные параметры ЛБП. Я рекомендую для Uвых=30В применить трансформатор на ~24В, так как после выпрямления на емкости С1 на холостом ходу напряжение будет в 1,41 раз больше (34В), а после стабилизатора снизится на несколько вольт. Применение трансформатора с обмоткой ~24В избавит от пересчета некоторые элементы схемы. Для Uвых=50В я рекомендую применить трансформатор с вторичной обмоткой 36В.

Также для уменьшения рассеиваемой мощности на регулирующем транзисторе рекомендуется применять трансформатор с двумя-тремя вторичными обмотками и добавить тумблер или коммутатор обмоток. Можно применить трансформатор 12В+12В, и сделать переключатель для переключения режимов регулировки напряжения от 0 до 15В и от 15В до 30В.

Стабилизатор ЛБП можно питать от импульсного источника питания, тогда входную емкость C1 необходимо уменьшить до нескольких сотен микрофарад.

Печатная плата

Печатная плата имеет размеры 72×75мм. Она взята из ветки форума по разработке ПиДБП. Разведена плата без выпрямителя и фильтрующих конденсаторов, то есть, только сам стабилизатор.

Номера выводов каналов микросхемы DA1 на схеме и печатной плате разнятся, точнее каналы подключены по принципу разводки печатной платы (как проще, так и подключены). Вообще без разницы, какой канал из четырех будет DA1.1, а какой будет DA1.2 и так далее, главное соблюдать схему подключения.

Для удобства, монтаж необходимо начинать с перемычек и резисторов.

Далее монтируются все остальные компоненты, от меньших к большим.

Запуск и испытания

При сборке я обнаружил, что на плате почему-то нет выходных емкостей C5 и C7. При испытании ПиДБП пришлось их установить навесом, чтобы быть уверенным, что данные емкости никак не замедляют и не выводят из стабильной работы систему автоматического регулирования. Меня интересовал момент скорости изменения напряжения на выходе ЛБП при регулировке и скорость работы защиты от КЗ, успеет ли она отработать короткое замыкание. При испытаниях защита работала отлично, а также отлично изменялось при регулировке значение Uвых.

Первый запуск блока питания я выполнял от китайского ЛБП (30В), ограничив его выходной ток в районе 50мА, чтобы в случае неправильной работы испытуемого устройства не сжечь его.

После запуска ПиДБП я убедился, что регулировка Uвых производится во всем диапазоне от 0 до 23В. Далее с помощью R22 я поднял Umax с 23В до 28В. Позже под нагрузкой 1А я еще раз выполнил корректировку максимального значения Uвых.

После чего, я приступил к проверке нагрузочной способности. Сначала нагрузил ПиДБП резистором 51Ом, опустив его в ванночку с водой. С помощью вращения потенциометра R26 я убедился в правильном функционировании узла стабилизации тока, значение Iнагр изменяется плавно от 0 до 0,5А.

Далее я выставил на выходе испытуемого устройства 2В и нагрузил резистором 4Ома, который я установил на радиатор. Ручку R26 выкрутил на максимум. Плавно вращая ручку R20 я увеличивал Uвых и наблюдал за нагревом элементов и смотрел по амперметру показания. При достижении значения 1,4А рост тока остановился. То есть максимальный ток нагрузки составил 1,4А.

Можно сделать наоборот, R20 выкрутить на максимум, а R26 в минимум, нагрузить низкоомным резистором (например 4Ома). Плавно вращая R26 проверить ограничение на отметке 1,4А.

Далее при подключенной нагрузке я замкнул выход, ничего плохого не произошло, стабилизация тока работала отлично. После этого я отключил нагрузку и замыкал выход на разных значениях Uвых, стабилизация тока включалась при 1,4А отлично, защищая от пробоя регулирующий транзистор. Последним этапом проверки ПиДБП на КЗ с условием короткого замыкания на выходе, устроенное перед запуском. В этом случае защита функционировала также без нареканий. При замкнутом ключе S1, при достижении установленного порога Iнагр, срабатывал триггер и на выходе блока питания ток не протекал до тех пор, пока ключ S1 не был разомкнут.

Чуть позже я устроил еще немаловажную проверку, подключив на выход аккумулятор 12В 5А при малом Uвых, то есть, организовав для испытуемого устройства встречное напряжение. Диод VD2 со своей задачей справился отлично. Кратковременно подключив аккумулятор обратной полярностью, невзирая на искры, диод VD5 выдержал, хоть и кратковременно. Подразумевается, что между аккумулятором и блоком питания должен устанавливаться предохранитель.

Защита от перегрева настраивается на нужную температуру. Можно нагреть воду в стакане до необходимой температуры, опустить туда корпус термистора и вращением движка R34 добиться начала свечения HL3.

При запитывании ПиДБП от китайского лабораторного блока питания, на выходе при нагрузке 1А с помощью осциллографа С1-94 я пытался посмотреть пульсации, но они настолько малы и с учетом старенького аналогового осциллографа С1-94 я увидел только наводки на щупе.

При проверке от трансформатора 24В 1,5А с емкостью 2×4700мкФ пульсации были также незначительны (вертикальная развертка 10мВ на деление).

Умощнение схемы

Я считаю это немаловажная тема, так как многим радиолюбителям нужен лабораторный блок питания с нагрузочной способностью до 3А и более.

Умощнение схемы ПиДБП заключается в параллельном соединении дополнительных силовых транзисторов VT2. Количество транзисторов определяется исходя из мощности. Так для блока питания 30В 3А необходимо устанавливать два транзистора 2N3055.

Так как транзисторы имеют разброс параметров, то в разрыв эмиттеров необходимо устанавливать мощные (2Вт) выравнивающие резисторы 0,1Ом. Без выравнивающих резисторов силовые транзисторы могут выйти из строя в виду неравномерно распределенного тока нагрузки между ними.

Вторым этапом умощнения является изменение номинала шунта R27, иначе выходной ток будет ограничен значением 1,4А.

Номинал R27 выбирается исходя из следующего правила: при максимальной нагрузке падение напряжения на R27 должно быть 500мВ.

Rш=0,5В/Imax.

Для тока 3А сопротивление шунта 0,166Ом (из стандартного ряда 0,15Ом). Для 5А выбираем 0,1Ом.

Емкость C1 выбирается исходя из минимальных требований 2000мкФ на 1А, иначе будут значительные пульсации.

Ну и не забываем про диодный мост, его ток должен выбираться с запасом.

Больше никаких изменений в схеме делать не нужно.

Печатная плата ПиДБП 0..50В СКАЧАТЬ

Ссылка на ветку форума

Импульсный блок питания для усилителя на SG3525+ТГР.

Добавлена версия ИИП от  февраля 2020 года без стабилизации напряжения:

Рисунок платы:

Скачать архив платы: DA-Power-300w-02.2020.zip (Одна Загрузка)

Описание прошлых версий.

Предлагаю вашему вниманию достаточно простой и надежный импульсный блок питания для усилителей. (ИИП)

Схема ИИП.Блок питания в сборе.

Печатная плата:

Характеристики:

— напряжение питания 220в;

— мощность 300вт;

— защита от короткого замыкания, защита от постоянного напряжения на выходе усилителя;

— частота преобразования 48-50кГц;

— напряжение питания +-50в ( может быть любым).

ИИП основан на продвинутом ШИМ контроллере SG3525, который имеет мощный выход и без проблем тягает тяжелые затворы полевиков без применения дополнительных драйверов.

Плата ИИП со стабилизацией выходного напряжения: 

Схема:

Рисунок печатной платы:

Скачать файл платы ИИП со стабилизацией: DA-Power-300w-25-03-2019-1.zip (1860 Загрузок)

Фото собранного ИИП.

3-й вариант платы — это стабилизированный однополярный блок питания 14,4в, можно использовать как зарядник для автомобильного аккумулятора.

Схема:

Многие спрашивают, как можно добавить регулировку тока заряда, при использовании ИИП  в качестве зарядного устройства аккумулятора. Для этого достаточно добавить ещё одну оптопару в цепь обратной связи, параллельно U1. Ток заряда проходит через шунты 4*0.1ом 1вт, на базу транзистора 2n5551 подано напряжение смещения, чтобы он оставался закрытым, при превышении тока, который регулируется переменным резистором 1кОм, напряжение на базе транзистора увеличивается, и светодиод отпопары начинает светится, что ведёт к уменьшению заполнения импульса ШИМ SG3525. Схема не проверена, но работать должна!!! Кто собрал, отпишитесь в комментариях!!!!

Рисунок печатной платы:

Скачать файл печатной платы в lay: DA_Power_300w_220-14v.zip (1817 Загрузок)

Фото готовой платы:

Блок питания самой последней версии:

DA-Power-300w-1212-v-04.2019.lay6_.zip (723 Загрузки)

Характеристики:
— питание 210-230в;
— мощность долговременная 330вт, кратковременная 550вт.
— выходное напряжение +36в/-36в ( может быть любым)
— дополнительные сервисные напряжения +15/-15в 100мА, +12в 100мА.
— защита от короткого замыкания в нагрузке;
— светодиодная сигнализация работы ИИП.

Общая информация по сборке блоков питания:

ТГР.

( Трансфоматор гальванической развязки) один из отпугивающих элементов схемы. Он необходим для того, чтобы обычный не полумостовой драйвер мог управлять полевыми транзисторами,так как между затворами большое напряжение. Сложного в нем ничего нет, он состоит из маленького колечка с тремя одинаковыми обмотками из тонкого провода. Фазировка первичной обмотки не играет роли, а вот вторичные обмотки должны подсоединяться зеркально, для того чтобы происходило по очередное открывание полевых транзисторы, в противном случае откроются одновременно, что приведёт к короткому замыканию и выходу их из строя.

Намотан на колечке 16*10*4,5мм PC 40 сразу 3 проводами, перчика  45 витков, вторички по 37 витков.

ТГР.

Первичка одним цветом вторички другим, необходимо перед монтажем прозвонить выводы и вставить согласно расположению, т.е. я плату развел так, что выводы симметрично вставляются, каждый со своей стороны.

ТГР на плате.

Форма импульсов на ТГР примерно такая:

Если мы недостаточно намотаем витков, то генерация может срываться, это сопровождается шипением силового трансформатора при работе. Вот такой некрасиво работает ТГР с 22 витками на том же колечке, видимо, насыщение играет роль. Лучше перемотать, чем недомотать)) Также ТГР спасает шимку при пробое ключей.

Срыв генерации.

Питание SG3525.

Одной из проблем в построении ИИП- это сложность обеспечить драйверы необходимым питанием 12 в от сети 220в. Способов существует множество, для слабых драйверов ставят мощный резистор, либо резистор послабее, выпрямляя лишь полуволну сетевого напряжения с помощью однополупериодного выпрямителя. Некоторые вообще ставят отдельный трансформатор 50Гц, либо же обратноходовый преобразователь, все это очень усложняет схему. Я пошёл очень простым путём, не стал гальванических отделять силовую и управляющую цепь, так как используется ТГР, а применил простейший конденсаторный блок питания. Он способен обеспечить питанием 12 в и током до 60мА, что достаточно для драйвера SG2525. Для уменьшения пульсаций 50Гц поставил конденсатор 1000мкф 25в. Для более тяжёлых ключей, нужно увеличивать ток блока питания увеличив ёмкость конденсатора 1мкф. Таким образом сильно выигрываем в КПД, греется лишь стабилитрон 13в, на нем выделяется 13в*0.06А= 0.78Вт, берём с запасом 1-ваттный.

Защиты.

Для токовой защиты использовал токовый шунт, состоящий из резистора 0,22ом, при КЗ напряжение на нем становиться достаточно , чтобы засветился светодиод оптопары, ну а открывшийся транзистор включает защелку. На 10-й ноге SG3525 появляется положительный потенциал, модуляция прекращается мгновенно. Дальнейшая работа возможна при обесточивании ИИП на 10 секунд.

Защита от постоянки срабатывает при появлении +0.5в и -2.5в на выходе любого из каналов и практически мгновенно отключает генерацию импульсника. Нужно лишь подключить тонким проводом выходы каналов усилителя к ИИП.

Силовой трансформатор.

Пример упрощенного расчета для усилителя 2*100Вт ( +-35в):

Самое сложное в построении усилителя — это изготовление импульсного трансформатора питания , но если следовать простым шагам, то получится намотать его с первого раза. Для начала надо понять, как вообще работает ИИП. Сетевое напряжение 220в выпрямляется до амплитудного значения синусоиды (220*1,41=310в). ИИП построен по полумостовой схеме, соответственно к трансформатору будет прикладывается половина напряжения питания (310/2=155в). В программе старичка ExeellentIT считаем минимальное количество витков первичной обмотки, для кольца 31*19*13 нужно намотать ровно 50 витков. Толщину провода считаем вручную, для меня так проще, допустим, в наличии имеется провод толшиной 0.7мм по лаку, если убрать лак и замерить еще раз, то получися 0.6мм по меди. Площадь будет соответственно 0.6*0.6*3.14/4=0.3мм². Для импульсного трансформатора допустимый ток через медный повод может быть 5-10А/мм², в зависимости от типа трансформатора и условий охлаждения. Я обычно беру значение 8А/мм², мой провод площадью 0.3мм² может пропустить через себя (0.3*8=2.4А), тогда мощность первичной обмотки будет (2.4А*155=372вт). Теперь самое интересное, рассчитываем вторичные обмотки, но сначала надо определиться с выходным напряжением. Оно будет зависеть от того, сколько мощности мы хотим получить от усилителя.
Пример: нам нужно запитать 2 канала усилителя мощностью по 100ватт, а чтобы получить эту соточку нужно приложить напряжение 20в к нагрузке 4 Ом на выходе. Но 20в — это среднеквадратичное значение напряжения (RMS), амплитудное будет в 1.41 раза больше, 20*1.41=28.2в. Иными словами, для того чтобы получить 100ватт на нагрузку 4 ома, необходимо усилитель питать напряжением +-28в, но это справедливо лишь для стабилизированого источника (не в нашем случае), а также мы же хотим получить 100 чистых ватт, смело добавляем пару вольт, чтобы усилитель давам мало искажений при 100вт, ещё надо учитывать что нестабилизированное напряжение ИИП падает под нагрузкой примерно на 10%. В итоге, чтобы получить 100 чистых ватт нужно (28в+2в)*1.1=33в.
Считаем количество витков вторичной обмотки. Для начала определяем количество вольт на 1 виток:155в/50= 3.1вольт/виток. Для +-33в надо 33/3.1=10,64 витка , берём с запасом 11 витков, напряжение ХХ при этом будет 11*3.1= +-34.1в.
Сам феррит имеет свойство проводить элекричество, сопротивление кольца из материала PC40 обычно бывает в районе 10кОм, поэтому необходимо обмотать кольцо термостойкой лентой, в моём случае это будет доступный всем лейкопластырь, он очень эластичен и хорошо клеится.

Первичка 50 витков для колечка 31*19*13 PC40.

Первичная обмотка.

А вот так выглядят 4 вторички для питания +-50в ( разом 16 витков).

Вторичные обмотки.

Для удобства фазировки я маркирую концы вторички так: ровно, срез под углом, загиб, и большой загиб ( чтобы потом не вызванивать)

Маркировка.

Сфазировать очень просто, на плате я указал выводы ( В- обмотки сверху, Н — снизу, ну или начало или конец, как угодно). Фазировать первичку не нужно!

Фазировка

Силовой трансформатор имеет 4 одинаковые обмотки для того, чтобы использовать всего лишь 2 диода Шоттки с общим катодом. Большие радиаторы им не нужны, так как они имеют малое падение напряжение, которое ещё и уменьшается с нагревом.

Небольшие радиаторы диодов Шоттки.

Прочее:

Дроссели питания мотаются на таких же кольцах, что и ТГР. Но для правильной работы во избежание насыщения необходимо сделать немагнитный зазор, который легко пропилить обычной болгаркой. Нужно намотать примерно 25 витков:


Дроссели после диодов сглаживают пульсации и ограничивают ток через полевые транзисторы в момент пуска преобразователя. Сама микросхема в момент старта на затворы пускает тонкие иголки ( режим мягкого старта), которые расширяются со временем, тем самым осуществляется плавный пуск ИИП. Например IR2153 сразу полностью открывает полевики, в момент пуска они часто горят, тем более если во вторичке высокое питание и большие емкости электролитов ( считай, кратковременное КЗ при пуске). SG3525 в щадящем режиме приоткрывает полевые транзисторы, с ней даже работает китайский левак.  Ёмкость конденсатора после сетевого выпрямителя берем из расчёта 1мкф на 1вт мощности, в моём случае это 330мкф 400в, т.е с запасом.

Очень важно! Первый запуск ИИП ( чтобы в космос не улетел)!!!!!

Вот хороший способ безопасно проверить работоспособность преобразователя после сборки:
Ставим перемычку на конденсатор 1мкф, который питает SG3525, вместо 220в продаём питание 12в, если все собрано верно, то на ТГР будет происходить геренация, а на выходе блока питания появится постоянное напряжение около 1-2вольта ( зависит от количества витков вторички). Главное потом убрать перемычку перед включением в сеть, сначала через резистор 100-200ом, затем напрямую. Делаеться это во избежание поломки ИИП в результате какой-либо ошибки.

Вот этот конденсатор 10мкф в цепи защиты нужен для того, чтобы не было ложных срабатываний токовой защиты в момент пуска с большими емкостями питания ( справедливо для 8000 мкф и +-35в в плече). Не стоит злоупотреблять емкостями во вторичке, от этого плохо полевикам в момент пуска, а бесконечно замедлять защиту нельзя увеличивая емкость конденсатора  С8 10мкф, иначе при КЗ может не успеть сработать.

Снабберы я не ставлю, без них меандр на силовом трансформаторе хороший:

Заземление.

Внизу платы есть отверстие под болт, так вот это точка соединения блока питания с корпусом, чтобы избавится от наводок шума и прочее. Данный блок питания успешно применяю в своих усилителях, шума и наводок нет!! Высоковольтные конденсаторы 2,2нф 2кВ создают виртуальную землю,  они применяются во всех импульсных промышленных устройствах. Больше на корпус никакие дополнительные земли и нули кидать не нужно.

Фото процесса и готового ИИП.

Изготовление плат.Травление в растворе перекиси и лимонной кислоты с солью.

 

Подготовка.ЛУТ — лазерный принтер + утюг.

Драйвер очень умный, при желании можно прикрутить стабилизацию выходного напряжения.

Радиосхемы. — Источники питания

Раздел

Схемы блоков питания, теория построения источников питания

Для любой аппаратуры требуется электропитание.

В некоторых случаях электроэнергию можно получить от электрохимических источников (батареек или аккумуляторов), но это когда речь идет о носимых устройствах, но на практике мы чаще всего используем промышленную сеть 220 Вольт, и вот здесь возникает целый ряд вопросов: ведь это напряжение необходимо преобразовывать: уменьшить (а иногда и увеличить), выпрямить, стабилизировать и так далее…

Устройства, которые преобразовывают электроэнергию принять называть вторичными источниками питания или просто блок питания (под понятием «первичный источник питания» подразумеваются химические источники) или просто блок питания, и именно блокам питания и посвящен данный раздел: здесь Вы сможете ознакомиться с теорией построения блоков питания, а также найдете различные схемы блоков питания.

Теория построения блоков питания

Параметрический стабилизатор
Компенсационный стабилизатор
Специализированные микросхемы стабилизаторов напряжения
Умножитель напряжения
Устройство импульсного источника питания
Защита стабилизаторов от перегрева
Транзисторные стабилизаторы с защитой от перегрузки (теория)

Практические схемы источников питания

Электронный ЛАТР
Регулятор температуры паяльника
Стабилизатор температуры паяльника
Стабилизированный Блок питания на 35 Вольт
Стабилизатор напряжения с защитой 13V/10A
Зарядное устройство для никель-кадмиевых аккумуляторов
Безтрансформаторный преобразователь напряжения
Бестрансформаторный удвоитель напряжения для малогабаритных устройств
Регулируемый источник питания 1…29V, 2A
Блок питания 13V, 20A
Схемы стабилизированных блоков питания
Блоки питания с регулировкой
Простой регулятор мощности


Блок питания с регулировкой напряжения и тока
Стабилизатор напряжения 0…25V с защитой по току
Зарядное устройство из компьютерного блока питания
Блок питания на 3V
Блок питания 13V, 20A на микросхеме серии КРЕН
Как увеличить мощность КРЕНки до 20 Ампер
Еще раз об увеличении мощности КРЕН8А
Импульсный блок питания для усилителя
Преобразователь напряжения 12-220V
Преобразователь 12V-220V на трансформаторе от компьютерного блока питания
Импульсные преобразователи напряжения
Электронный предохранитель
Устройство защиты радиоаппаратуры от повышенного и пониженного напряжения
Самодельный бесперебойник
Компьютерный блок питания в радиолюбительских конструкциях
Регуляторы напряжения с компаратором
Регуляторы постоянного напряжения на таймере 555
Регуляторы постоянного напряжения на ждущих мультивибраторах и и счетчиках
ШИМ-регулятор на простой логике
ШИМ-регулятор на операционном усилителе
Блок питания для цифровых и аналоговых микросхем
Преобразователь для питания варикапа
Стабилизатор с защитой от КЗ
Дополнительная цепь к регулируемому стабилизатору с цель защиты
Стабилизатор с установкой порогового тока для защиты
Электронно-механическое устройство защиты от перегрузки
Защита от перегрузки по току с использованием динисторного оптрона
Светодиодные индикаторы перегрузки по току
Электронный предохранитель до 10 Ампер
Схемы защиты устройств от всплесков тока и напряжения
Устройство защиты галогенных ламп
Аварийная защита низковольтной аппаратуры
Ограничитель пускового тока
Преобразователь напряжения 12В-220В для электробритвы
Звуковой сигнализатор перегрузки блока питания
Самовосстанавливающийся предохранитель на 12 Вольт
Регулируемый электронный предохранитель
Защита блока питания от КЗ
Стабилизатор напряжения К142ЕН2 и его применение
Мощный стабилизированный инвертор 24- 220 Вольт
Высоковольтный преобразователь напряжения
Преобразователи напряжения из 4,5В в двуполярное 15В
Преобразователь сетевого напряжения в трехфазное
Мощный двухполярный источник питания для лабораторных целей
Источник питания с регулировкой полярности
Зарядное устройство с цифровыми микросхемами
Не сложный импульсный стабилизатор
Транзисторный стабилизатор 9V с системой защиты
Стабилизатор переменного напряжения
Сигнализаторы разряда элементов питания
Стабилизатор напряжения на микросхеме К142ЕН2
Стабилизатор сетевого напряжения
Стабилизатор тока до 150 А
Стабилизированный источник питания с защитой от перегрузки
Преобразователь 1,5V в 9V
Ступенчатое включение мощной нагрузки
Тиристорный преобразователь 12V в 220V
Двуполярное напряжение от батарейки «Крона»
Уменьшение пульсаций выходного напряжения
Универсальное зарядное устройство
Универсальный блок питания на микросхеме КР142ЕН12
Устройство аварийного электропитания
Регулируемый стабилизатор тока
Регулируемое двуполярное из однополярного
Регулятор мощности не создающий помех
Регулятор сетевого напряжения
Тиристорный регулятор тока
Регулятор мощности для активной нагрузки
Преобразователь напряжения 12/220В-50Гц
Импульсный источник питания 30 вольт, 200 Вт
Преобразователь напряжения с 4,5 на 15 В
Преобразователь напряжения 12V-30V
Автоматическое отключение аккумуляторной батареи
Бесперебойное питание для цифровых микросхем
Стабилизированный блок питания 1-40V с защитой от перегрузки
Лабораторный блок питания 0-20V
Трехфазный инвертор для электродвигателей
Импульсный блок питания для мощного УМЗЧ
Резервный преобразователь напряжения
Электронный предохранитель для устройств с питанием до 25 Вольт
Электронный предохранитель 12V/1A
Преобразователь 50Гц\ 60Гц
Усовершенствованный лабораторный блок питания
Высоковольтный преобразователь
Устройство защиты источника питания от перегрузки
Симисторный регулятор повышенной мощности
Устройство для зарядки малогабаритных аккумуляторов
Мягкое включение УНЧ
Таймер для зарядки аккумулятора
Импульсный стабилизатор напряжения с высоким КПД
Универсальный эквивалент нагрузки для ремонта и настройки источников питания
Преобразователь напряжения для цифровых микросхем
Регулируемый стабилизатор напряжения и тока
Стабилизированный регулятор мощности для изменяющейся нагрузки
Блок бесперебойного питания
Импульсный понижающий стабилизатор 24V-12V
Лабораторный блок питания 5…100 Вольт
Звуковой сигнализатор разряда аккумулятора
Стабилизатор тока до 150 Ампер
Ограничение зарядного тока конденсаторов
Ni-Cd аккумуляторы и их эксплуатация
Импульсный сетевой источник 5 В с высокими параметрами
Зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторов
Преобразователь 12- 220V и зарядное устройство
Двуполярный источник питания на основе «электронного трансформатора»
Малогабаритный мощный стабилизатор 12V
Блок питания отключающийся без нагрузки
Преобразователь 12V- 24V на ячейке логической микросхемы
Двуполярное стабилизированное напряжение 5V из однополярного 12V
Преобразователь напряжения 12V\ 220V 50Гц
Регулируемый двуполярный блок питания с искусственной «средней точкой»
Стабилизированный блок питания 3V для аудиоплеера
Маломощный импульсный двуполярный
Агрегаты тиристорные серий ТЕ, ТП, ТПР, ТЕР схемы и документация
Источник опорного напряжения ИОНА
Мощный лабораторный источник с защитой и регулировкой
Вариант мощного двуполярного стабилизатора напряжения
Лабораторный источник питания с защитой и индикацией перегрузки
Преобразователь 12-220 вольт на NE555

Схема регулируемого блока питания импульсного типа


Схема регулируемого блока питания, представленная в этой статье, является высокоэффективным устройством, необходимым практически любому радиолюбителю, так как такой регулируемый блок питания обеспечивает стабилизированное постоянное напряжения на выходе в диапазоне от 0.2v до 80v.

Схема регулируемого блока питания импульсного типа 0.2V-80V, 0-10A

Импульсный источник питания 0,2–80v построенный на основе теперь почти легендарной микросхеме TL494 может использоваться в различных устройствах, например таких как: двигатели, схемы зарядки аккумуляторов и так далее. Существует дополнительная схема SMPS с импульсным преобразователем переменного напряжения в постоянное TNY267, предназначенного для питания таких элементов, как микросхема TL494, вентиляторы, реле. Как и многие компоненты схемы, используемые в проекте SMPS, добыты были из блоков питания ПК.

Регулируемые параметры цепи импульсного блока питания:

Входное напряжение: 210v — 265v
Потребляемая мощность и ток: макс.860 Вт/4,5А
Выходное напряжение: 0,2–80v
Пульсация напряжения: примерно до 0,3v
Регулируемый выходной ток: 0-10A
Ограничение тока короткого замыкания: 14А
Размеры (корпус) ШxГxВ: 230x220x70 мм

Описание подключения:

Напряжение сети проходит через входной фильтр, состоящий из тороидального дросселя TL1 и конденсаторов C2, C8. Напряжение подается на мостовой выпрямитель через резистор R16, который ограничивает удар тока, вызванный зарядкой сглаживающих конденсаторов после включения источника питания.

После запуска вспомогательного источника реле К1 замыкает резистор R16 и отключает его от цепи. За выпрямителем напряжение фильтруется парой электролитических конденсаторов C10, C11. Это напряжение обеспечивает основное и вспомогательное питание. Резистор R20 разряжает конденсаторы после отключения питания.

В качестве выходного силового трансформатора E65 можно использовать эффективный сердечнике ETD34 из ферритового кольца N87, тогда есть надежда, что трансформатор не будет сильно нагреваться. Расчеты трансформатора SMPS выполняются с помощью специальных программ, например: «Программы расчета обмоток трансформатора преобразователя SMPS». Ниже показан снимок, сделанный во время намотки трансформатора. У микросхемы TL494 рабочая частота составляет 50 кГц.

Шунт амперметра

Я сделал шунтирующий резистор для амперметра из двух медных прямоугольников 15x15x5 мм, и спаянных между собой проводами диаметром 0,56 мм с сопротивлением 1.761Ω на 1 метр длины. Мощность шунта составляет 50 Вт, а его основное предназначение, это — контроль тока в схеме регулируемого блока питания. В качестве прямоугольников были использованы медные подложки корпуса TO220 от транзисторов.

По сути, это проходной преобразователь одностороннего действия, управляемый известной микросхемой TL494. Вспомогательный источник — это блокирующий преобразователь, управляемый схемой TNY267. Интегральную схему TL494 и часть комплектующих можно получить, разобрав старый компьютерный блок питания. БП имеет непрерывную регулировку напряжения и тока, кроме этого, есть защита от перегрузки по току конечных транзисторов и защита от перегрузки по току в случае короткого замыкания на выходных клеммах.

Принципиальная схема регулируемого блока питания ИБП 80v 10А

Схема регулируемого блока питания построена на односторонней печатной плате, и все силовые компоненты, нуждающиеся в охлаждении, расположены на краю платы, поэтому их можно легко прикрепить к радиатору. В схема не предусмотрены сетевой предохранитель, автоматический выключатель или диод защиты от обратной полярности, они должны быть добавлены при установке в корпус. Кроме того, конструкция не решает проблему тепловой защиты, поскольку охлаждение должно решаться только в зависимости от конфигурации используемого корпуса.

Скачать: плата Eagle cad, схема и все остальное, относящаяся к регулируемой цепи SMPS: 10A-80V.rar

Получить более подробную информацию о схеме регулируемого блока питания можно здесь

назначение, специфические особенности, принцип работы устройства

Блоки питания для персональных компьютеров строятся на бестрансформаторных схемах подключения к сети (по сути, это импульсное питающее устройство). Они характеризуются высоким значением КПД, небольшими габаритными размерами и малым весом. Однако бестрансформаторный блок питания имеет существенный недостаток — импульсные помехи, которые оказывают негативное влияние на другие схемы ПК и прочие бытовые электронные устройства. Поэтому каждое такое изделие проходит серьезную проверку на электромагнитную совместимость с другим оборудованием. Кроме того, бестрансформаторный блок питания не имеет гальванической развязки в части электрической схемы от напряжения питающей сети. Это, в свою очередь, требует применения специальных мер безопасности во время ремонта такого изделия.

Бестрансформаторный блок питания: основные функциональные части

Устройство состоит из следующих компонентов:

— сетевой выпрямитель;

— помехоподавляющий фильтр;

— схема пуска;

— емкостной фильтр;

— преобразователь напряжения на базе импульсного силового инвертора;

— цепь формирования выходного напряжения;

— схема управления;

— цепь формирования и передачи сигналов обратной связи на управляющую схему.

Дополнительные элементы

В зависимости от модели и функционального назначения, бестрансформаторный блок питания может содержать дополнительные схемы, такие как линейный стабилизатор в дискретном или интегральном исполнении, защита от перегрузок входного и выходного напряжения и тока, а также помехоподавляющие цепи. Кроме того, в такие БП могут входить схемы для формирования специальных сигналов управления, которые обеспечивают согласование работы устройства с питаемой схемой.

Принцип работы

Импульсные универсальные блоки питания для получения напряжения постоянного тока осуществляют тройное преобразование входного напряжения. Сначала оно выпрямляется и сглаживается. В результате получается напряжение постоянного тока, после чего происходит формирование прямоугольных импульсов с частотой, составляющей десятки килогерц. После этого полученные импульсы трансформируются на вторичную сторону с соответствующим коэффициентом, и снова происходит выпрямление и сглаживание. Главным узлом бестрансформаторных блоков питания являются ключевые преобразователи напряжения, и в первую очередь их силовая часть (выходной каскад большой мощности). Данные каскады принято делить на однотактные и двухтактные.

Регулируемые блоки питания

Для регулировки значений выходного напряжения в бестрансформаторных устройствах чаще всего используют методику широтно-импульсной модуляции, которая заключается в изменении длительности импульсов, а также пауз между ними. При этом частота преобразования остается неизменной. Соотношение между такими величинами, как длительность паузы и импульс, зависит от значения выходного напряжения. Оно автоматически изменяется, чтобы поддержать выходное напряжение в рамках номинального значения.

Глава 14 Импульсные и IC регуляторы напряжения — Анализ электронных цепей — Dev Guis

Глава 14

Импульсные и интегральные регуляторы напряжения

Цели обучения

  • В главе 3 мы обсудили регуляторы напряжения, в которых используются дискретные компоненты.
  • В этой главе мы описываем регуляторы напряжения, в которых используются интегрированные компоненты, микросхемы, с учетом развития технологий и миниатюризации компонентов.
  • Мы также изучаем аспекты проектирования схем регулятора.
  • Также описаны резервные источники энергии, такие как ИБП и SMPS, которые довольно популярны во время сбоев питания для коммерческих и бытовых нужд.
14.1 Введение
14.1.1 IC Регуляторы напряжения

Электронным схемам требуется питание постоянного тока. Цепи регулятора напряжения обеспечивают постоянное выходное напряжение постоянного тока в расчетном диапазоне нагрузок и входных напряжений. Регуляторы напряжения IC технологически усовершенствованы по сравнению с обычными регуляторами напряжения, в которых используются дискретные компоненты.

Применение IC-регуляторов напряжения в современной технике

  • «Системы управления энергопотреблением» и «энергосберегающие» встроенные системы внедряются во многие системы и будут играть важную роль в Smart Grid и других областях по всему миру. Один из примеров — LP5550. Это модуль управления питанием, совместимый с интерфейсом и предназначенный для снижения энергопотребления автономных процессоров основной полосы частот в мобильных телефонах или других прикладных процессорах беспроводных устройств, используемых в системах домашней автоматизации (HA).
  • GSM / GPRS / EDGE и UMTS сотовые телефоны, портативные радиостанции, КПК, портативные инструменты и т. Д.
  • Разрабатываются специальные системы для снижения потребления электроэнергии во многих домашних и промышленных приложениях с использованием беспроводных технологий.
  • Используется в цепях подачи напряжения.
  • Источник питания для устройств связи.
  • Источник питания для бытовой электроники.

Пользователи могут выбрать тип продукта, номинальное выходное напряжение и ток, а также тип корпуса IC-регуляторов напряжения при проектировании цепей питания.

Преимущества регуляторов IC

(1) Миниатюризация регулятора; (2) Стандартизация различных строительных блоков внутри ИС; (3) Снижение стоимости за счет массового производства; (4) Высокая гибкость конструкции; (5) Хорошая гибкость настроек подключения; (6) улучшенные характеристики (переходная характеристика); (7) Функции, такие как ограничение тока, тепловое отключение; Защита от перенапряжения может быть легко встроена в регуляторы IC. Пример: трехконтактные регуляторы напряжения имеют такие встроенные функции.

Линейные регуляторы и импульсные регуляторы доступны в интегральных схемах.

Линейный регулятор Линейный регулятор в основном содержит (1) нерегулируемый источник постоянного напряжения в качестве входного напряжения В в , (2) источник тока, управляемый напряжением, и (3) схему управления для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока.

Импульсный регулятор Импульсный регулятор содержит: (1) Нерегулируемый источник постоянного напряжения в качестве входного напряжения В в ; (2) Пропустите транзистор для включения и выключения схем регулятора напряжения.Рассеиваемая мощность транзистора практически равна нулю. Энергоэффективность высокая; (3) Схема управления инвертором для поддержания постоянного выходного напряжения постоянным ; (4) Импульсные регуляторы набирают популярность с последними версиями микросхем и простотой конструкции цепей питания. Импульсные регуляторы работают как преобразователи постоянного тока в постоянный.

Функции регуляторов переключения

  • Они используются как преобразователи постоянного тока в постоянный для получения переменного выходного напряжения.Когда выходное напряжение выше входного, он известен как Boost Regulator . Когда выходное напряжение меньше входного, он известен как понижающий регулятор .
  • Они генерируют выходное постоянное напряжение противоположной полярности входному напряжению. Тогда такие схемы регулятора известны как Invert или Buck-Boost Regulator.
  • Из-за более высокой эффективности преобразования мощности импульсные регуляторы используются в персональных компьютерах, портативных компьютерах и телевизионных приемниках.
14.2 ТРЕХКЛЮЧЕВЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ ИМ
14.2.1 Классификация линейных ИС регуляторов напряжения
  1. Регуляторы общего назначения Они имеют фиксированное выходное напряжение с ограниченным диапазоном выходных напряжений и токов постоянного тока.
  2. Прецизионные регуляторы Они могут работать в широком диапазоне входных и выходных напряжений с большей степенью детализации.

Регуляторы общего назначения

Это трехконтактные регуляторы напряжения , имеющие:

  1. Входная клемма В IN ; (2) Выходная клемма В OUT ; (3) Клемма заземления, общая для входных и выходных портов блока регулятора.Они обеспечивают 5 В, 6 В, 8 В, 12 В, 18 В и т. Д. До 50 В с диапазоном тока от 0,5 до 3 А.
  2. Дополнительные возможности: (1) фиксированное положительное или отрицательное выходное напряжение; (2) Ограничивающая способность по току; (3) Тепловое отключение.

Ограничения

(1) Для получения более высоких напряжений необходима внешняя схема. (2) Для электронного отключения необходима сложная схема. (3) Программирование выходного напряжения возможно, но производительность ухудшается.

Схема трехконтактного ИС регулятора напряжения

(рис.14.1)

Рис. 14.1 Различные блоки (внутри) трехконтактного стабилизатора напряжения IC

Различные блоки в трехконтактном стабилизаторе напряжения на ИС

(1) Пробоотборная сеть; (2) Усилитель ошибки; (3) последовательный транзистор; (4) опорное напряжение; и (5) Схема защиты.

Сеть выборки ( R 1 : R 2 ) Выборка (считывание) Сеть содержит два резистора R 1 и R 2 , и определяет частичные изменения выходного напряжения нагрузки В out .

Усилитель ошибки (операционный усилитель) Усилитель ошибки — это операционный усилитель . Дискретизированный сигнал подается на «инвертирующий вывод» (INV) усилителя ошибки . Опорное напряжение ( В, R ) обычно подается от стабилитрона с температурной компенсацией D Z . Опорное напряжение ( В, R ) В Z подается на «неинвертирующий терминал» (NON-INV) операционного усилителя . Он сравнивает часть дискретизированного выходного напряжения В f с опорным напряжением В R . Его выход подается на клемму базы управляющего силового транзистора T (проходной транзистор серии ).

Проходной транзистор серии ( T ) Проходной транзистор серии — это транзистор NPN ( T ), подключенный между входным и выходным портами источника питания. Выходной сигнал усилителя ошибок модулирует проводимость проходного транзистора серии , в соответствии с обнаруженными изменениями выходного напряжения.Выходное напряжение поддерживается постоянным, несмотря на изменения условий нагрузки. Таким образом, выходное напряжение — это регулируемое постоянное напряжение , согласно конструкции — . Минимальное падение напряжения ( В, , , CE ) на регуляторе необходимо для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока. Минимальное падение напряжения В CE рассматривается как с низким падением напряжения (LDO). Отключение Коэффициент напряжения различает различные цепи питания.

Регулятор LDO. Цепи регулятора напряжения , использующие однопроходный транзистор типа NPN, известны как схемы регулятора LDO (Low Drop Out). Минимальное падение напряжения для таких регуляторов составляет В CE на выводах коллектора и эмиттера последовательного транзистора.

Схема защиты В источниках питания существует множество проблем с питанием, таких как колебания напряжения (потемнение), скачки напряжения и шум. Следовательно, цепи защиты необходимы для улучшения источников питания.Цепи защиты состоят из (i) ограничения тока, (ii) работы в безопасной зоне и (iii) теплового отключения. Если срабатывает одна из этих схем защиты, основной привод проходного транзистора серии получает ограниченный ток или полностью отключается, а оставшаяся схема защищена от повреждений.

Трехконтактный стабилизатор напряжения IC

Регуляторы напряжения

IC предназначены для автоматического поддержания постоянного уровня напряжения.

Блок-схема ИМС трехконтактного регулятора в блоке питания

Основные подключения трехполюсного регулятора IC (рис.14.2)

  • Нерегулируемое напряжение постоянного тока будет подключено к входной клемме В IN и заземлению. Регулируемое выходное напряжение постоянного тока проходит через В OUT на клеммы заземления для внешнего использования.
  • Выходное напряжение может быть кратным уровням входного напряжения.
  • Изменения тока нагрузки вызывают внезапные изменения выходного напряжения. Время, необходимое для исправления изменений выходного напряжения, известно как Переходная характеристика . Конденсаторы C, , в и C, , , выход , улучшают переходную характеристику и стабильность работы регулятора.
  • Потери мощности во входном сетевом трансформаторе, выпрямительных диодах и цепях фильтров пренебрежимо малы. В цепи регулятора наблюдается большая рассеиваемая мощность. Таким образом, на практике необходимо разработать схему регулятора с минимальными потерями мощности.
  • Энергоэффективность — важный показатель эффективности схем регулятора напряжения. (Энергоэффективность — это отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока).

Рис. 14.2 Расположение выводов трехполюсного регулятора в цепи постоянного тока

Важные особенности трехконтактных регуляторов напряжения на ИС

(1) Требуется несколько внешних компонентов.(2) Радиатор для температурной вентиляции очень минимален. (3) Доступен как в пластиковой, так и в металлической упаковке. (4) Они обеспечивают либо положительное, либо отрицательное выходное напряжение. (5) Выходное напряжение может быть фиксированным или переменным.

Регуляторы напряжения серии 78ХХ (рис. 14.3)

  • Последние два числа серии 78XX указывают величину выходного напряжения. Например, IC 7805 обеспечивает стабилизированное выходное напряжение постоянного тока +5 В.
  • Они выдают фиксированные положительные напряжения в диапазоне от 5 до 24 В.

Рис. 14.3 Конфигурация выводов трехконтактного регулятора напряжения 78XX IC

Блок-схема микросхемы IC 7805 (рис. 14.4)

  • 7805 IC Регулятор напряжения выдает положительное выходное напряжение 5 В.
  • Выходной ток может быть больше 0,5 А при наличии подходящих теплоотводов к устройству.

Рис. 14.4 Конфигурация выводов трехконтактного регулятора напряжения 7805 IC Схема питания + 5 В постоянного тока

Регулятор напряжения IC 7805 вместе с нерегулируемым источником питания с использованием мостового выпрямителя

  • Нерегулируемое постоянное напряжение, превышающее примерно 2 В до требуемого выходного постоянного напряжения 5 В, создается понижающим трансформатором, мостовым выпрямителем (содержащим четыре диода D 1 , D 2 , D 3 и D 4 ) в виде блока корпуса и фильтра шунтирующего конденсатора C 2 (рис.14.5).
  • Нерегулируемое постоянное напряжение подключено к входной паре клемм 1 и GND IC.
  • 5 В постоянного тока Выходные напряжения на выводах 2 и GND регулятора 7805.
  • Сетевой фильтр C out ( C 2 ) заботится о переходных процессах во время коммутационных действий (которые в противном случае могут помешать работе устройства) управляющего транзистора в ИС.

Фиг.14,5 Электропитание +5 В через мостовой выпрямитель и стабилизатор напряжения IC 7805

Рабочие напряжения 78-й серии регуляторов напряжения IC (Таблица 14.1)

Таблица 14.1 Рабочие напряжения ИС серии 78 (ИС регуляторов положительного напряжения ИС )

Максимальный ток нагрузки серии 7800 составляет 1 А. Линейное регулирование 3 мВ, регулирование нагрузки 15 мВ и возможность подавления пульсаций порядка 80 дБ.

Принципиальная схема регулятора напряжения 7815 с двухполупериодным выпрямителем (рис. 14.6)

Рис. 14.6 Использование двухполупериодного выпрямителя и регулятора напряжения IC 7815

Для получения выходного напряжения 15 В постоянного тока ему предоставляется нерегулируемое входное напряжение постоянного тока 18 В (при условии минимального падения напряжения 3 В между В в и В на выходе .) [ В вход = ( В, , , выход + 3) = (15 + 3) = 18 В].Нерегулируемое постоянное напряжение (18 В) получается из двухполупериодной схемы выпрямителя с напряжением питания переменного тока, понижающего трансформатора (имеющего вторичную обмотку с центральным отводом), двух выпрямительных диодов и схемы фильтра. Нерегулируемое напряжение подается на входной порт 7815 VR IC. Регулируемое выходное напряжение постоянного тока составляет 15 В. Сетевой фильтр Конденсатор C 2 на выходном порте снижает высокочастотный шум.

Регуляторы постоянного отрицательного напряжения

ИС регулятора напряжения

с серией 79XX и LM320 обеспечивают отрицательное напряжение в диапазоне от –5 до –24 В, аналогично работе регуляторов положительного напряжения.

Таблица 14.2 Рабочее напряжение ИС серии 79 (ИС регулятора отрицательного напряжения )

Нерегулируемое постоянное напряжение 20 В подается на микросхему IC 7815, которая подключена к нагрузке с сопротивлением 100 Ом. Определите (a) мощность, рассеиваемую в регуляторе, (b) эффективность регулятора и (c) найдите эффективность регулятора, когда на входе 24 В.

Решение:

    1. Предположим, что ток покоя I Q = 4 мА

      7815 выходное напряжение регулятора напряжения В выход = 15 В и R L = 100 Ом

      Ток нагрузки

      Рассеиваемая мощность в регуляторе P D ( R ) = В дюйм × I Q + [ В дюйм В на выходе ] × I л

      P D (R) = 20 × 4 × 10 -3 + (20−15) × 150 × 10 -3 = 80 мВт + 750 мВт = 830 мВт = 0.83 Вт

    2. Выходная мощность регулятора P out = V out × I L = 15 × 150 × 10 -3 = 2 25Вт.
  1. % КПД ( η ) регулятора
  2. При В на выходе = 15 В, ток нагрузки

    Мощность, рассеиваемая в регуляторе P D ( R ) при входе В на входе = 24 В

    1. P D ( R ) = I Q × V дюйм + [ V дюйм — V out ] × I L = 4 × 10 -3 × 24 + (24-15 × 150 × 10 -3

      P D ( R ) = 96 мВт + 1350 мВт = 1446 мВт = 1.446 Вт

    2. Выходная мощность регулятора P out = ( V out × I L ) = 15 × 150 × 10 -3 = 2,25 Вт

    КПД регулятора снижается при увеличении падения напряжения на регуляторе.

Разработайте источник постоянного тока с использованием регулятора напряжения 7805 для обеспечения тока нагрузки 100 мА. Для I Q = 4,3 мА и R L = 5 Ом с использованием схемы на рис.14.7.

Рис. 14.7 7805 Конструкция регулятора напряжения

Решение:

Данные: I Q = 4,3 мА, I L = 100 мА и В R = 5 В для 7805 и R L = 5 Ом.

Из данной схемы регулятора напряжения,

При низком падении напряжения на регуляторе 2 В,

Требуемая величина нерегулируемого напряжения В дюйм = ( В на выходе + 2)

∴ Нерегулируемое напряжение В в В = (5.5 + 2) = 7,5

Регулируемый регулятор напряжения LM317 (рис. 14.8)

LM 317 IC — стабилизатор положительного напряжения. Нерегулируемое постоянное напряжение (от выпрямителя FW и схемы фильтра) подается на входной порт IC. Постоянный резистор R 1 и переменный резистор R 2 подключены к выходному порту IC. Можно получить регулируемое выходное напряжение постоянного тока в диапазоне от 1,2 до 37 В (при токе нагрузки 1,5 А).

Фиг.14,8 Регулируемый регулятор напряжения с использованием LM 317 (трехконтактный регулятор)

Постоянное напряжение, обеспечиваемое регулятором, подается на R 1 . Напряжение В R1 используется в качестве опорного напряжения В R . Ток через резистор R 1 — постоянный опорный ток I R . Ток через переменный резистор R 2 равен ( I adj + I R ).Переменные выходные напряжения могут быть установлены с помощью внешних резисторов R 1 и R 2 , используя следующее выражение:

Перестановка терминов

, где I R = I .

Если В R = 1,0 В, I adj = 400 мкА, R 1 = 250 Ом и R 2 = 2.5 кОм рассчитать величину выходного напряжения В 0 по схеме рис. 14.9.

Рис. 14-9 Регулируемый стабилизатор положительного напряжения с использованием трехконтактного регулятора LM 317

Решение:

Регулятор LM317 предназначен для обеспечения выходного напряжения 5 В от источника питания 15 В. Ток нагрузки 100 мА. Определите значения сопротивления R 1 и R 2 .Рассчитайте рассеиваемую мощность в микросхеме регулятора (рис. 14.9).

Решение: Выбор тока I R R 1 как 1,25 мА и В R = 1,25 В-

Рассеиваемая мощность регулятора = P D = ( V in V out ) × I L (max) = (15-5) × 100 × 10 — 3 = 1 Вт.

Разработайте регулируемый регулятор напряжения с помощью LM317 для выходного напряжения В 0 = от 12 до 15 В и выходного тока 500 мА, используя схему на рис. 14.10. Рассчитайте напряжение в соответствии с проектными спецификациями. Предположим необходимые данные.

Рис. 14.10 Регулируемый стабилизатор положительного напряжения с использованием трехконтактного регулятора LM 317

Решение: Для трехполюсных регуляторов LM317, выбирая I adj = 100 мкА для регулятора LM317, В R = 1-25 В и R 1 = 240 Ом

Подставляя в уравнение (1), получаем

Решение вышеуказанного уравнения для R 2

Для обеспечения регулируемого выходного напряжения от 12 до 15 В резистор R 2 необходимо изменить с 2.03 до 2,594 кОм. Стандартный потенциометр 3 кОм используется для R 2 . Чтобы получить ток нагрузки 500 мА, мы можем использовать пакеты T039. Танталовый конденсатор C, , в = 1 MF используется для обхода входа, а C out = 1 MF используется для улучшения переходной характеристики. Защитные диоды : D 1 и D 2 . При низком падении напряжения 3 В между В на и В на выходе , необходимое входное напряжение составляет В на = ( В на выходе + 3) = (12 + 3) = 15 В.

Регулируемый регулятор отрицательного напряжения с использованием LM337 (рис. 14.11)

Рис. 14.11 Регулируемый регулятор отрицательного напряжения с использованием трехконтактного регулятора LM 337

LM 337 IC представляет собой регулируемый стабилизатор отрицательного напряжения с тремя выводами: вход , выход и , регулируют . Входом в IC является нерегулируемое отрицательное напряжение постоянного тока. Выходные напряжения регулятора — это диапазон напряжений от –1.От 2 до –37 В путем установки значений компонентов внешних резисторов R 1 и R 2 (регулируемый резистор). Как и в случае с регуляторами положительного напряжения, LM337 также доступен в различных классах: LM337, LM337 H, LM337 HV, LM337 HVH, LM337 LZ, LM337 и так далее. Конфигурации выводов различаются в разных корпусах.

Ограничения трехполюсных регуляторов напряжения

(1) Электронное отключение является внешним, требуется сложная схема.(2) Выходное напряжение фиксировано. (3) Для получения более высоких выходных напряжений требуется внешняя схема.

Прецизионные регуляторы напряжения

Вышеуказанные ограничения исправлены в прецизионных регуляторах напряжения , таких как μA723, LM105 и CA 3085. Эти прецизионные регуляторы имеют более трех выводов. Они широко используются в шунтирующих и импульсных источниках питания (SMPS) серии .

Технические характеристики (рабочие характеристики) «прецизионного регулятора напряжения» мА 723

(1) Выходное напряжение: от 2 до 37 В, поскольку максимальное входное напряжение составляет 40 В.(2) Максимальный выходной ток: 150 мА без внешних управляющих транзисторов. (3) Линейное регулирование: 0,03% / В. (4) Регулировка нагрузки: 0,003% / ° C. (5) Подавление пульсаций: 80 дБ. (6) Ток покоя: 2,3 мА. (7) Источник опорного напряжения: напряжение на клеммах стабилитрона. (8) Опорное входное напряжение В R 7,15 В или 7,5 В (максимум). (9) Максимальная рабочая температура составляет 70 ° C. (10) Могут быть разработаны источники питания для положительного и отрицательного напряжения.

14.3 IC 723 Регуляторы напряжения

Функциональная блок-схема μA723 (14-контактный DIP) представлена ​​на рис.14.12.

  • Регулятор напряжения IC 723 имеет стабилитрон D 1 для обеспечения опорного напряжения ( В R ) (7,15 В), подключенного к выводу 6.
  • Операционный усилитель
  • работает как усилитель ошибки . Выходной терминал внутренне соединен с базовым терминалом последовательного (управляющего) транзистора T 1 и коллекторным терминалом ограничивающего (считывающего) транзистора T 2 .
  • Напряжение питания В CC подключается к контактам 12 и 7.
  • Транзистор T 1 действует как эмиттерный повторитель. Его регулируемое выходное напряжение ( В, 0 ) подключено к контакту 10. Оно подключено извне к инвертирующему входу (INV) (контакт 4) усилителя ошибки.
  • Усилитель ошибки
  • сравнивает выборку выходного напряжения на инвертирующей входной клемме (INV) и В R (контакт 6), подключенной к ее неинвертирующей входной клемме (NI).
  • Сигнал ошибки с выхода операционного усилителя подается на базу транзистора T 1 .
  • Изменения в величинах входов ошибки в усилитель ошибки, в свою очередь, вызывают изменения в проводимости проходного транзистора T 1 (базовый ток T 1 ).
  • Таким образом, проводимость проходного транзистора T 1 контролируется сигналом ошибки.
  • Изменения проводимости транзистора T 1 вызывают изменения в величинах В CE , который корректирует изменения выходных напряжений регулятора IC 723.
  • Таким образом, выходное напряжение на нагрузке автоматически корректируется, а на выходном порте регулятора IC 723 поддерживается постоянное выходное напряжение.

Рис. 14.12 Конфигурация выводов регулятора IC 723 с внутренними блоками и внешними компонентами

14.3.1 Принцип работы регулятора IC 723 (рис. 14.12)
  1. Нерегулируемый источник постоянного тока Напряжение подается на вывод коллектора последовательного (управляющего) транзистора T 1 (вывод 11 IC).
  2. Образец выходного напряжения (контакт № 10) подается на инвертирующий входной контакт (NIV) усилителя ошибки (операционный усилитель) через контакт 4 ИС.
  3. Часть ( В NI ) опорного напряжения В R (7,15 В) (с использованием делителя потенциала R 4 и R 5 ) на стабилитроне D 1 (контакт 6) подключен к неинвертирующей входной клемме (NI) (контакт номер 5) усилителя ошибки.
  4. Выходное напряжение ошибки Усилитель подключен к входной клемме Транзистор T 1 .
  5. Пропускной транзистор серии
  6. действует как эмиттерный повторитель, выход которого подключен к внешней нагрузке (на которой вырабатывается выходное напряжение) для подачи напряжения.

Расчет номиналов резисторов R 1 , R 2 и R 3

Предположим, что ток через сеть делителя потенциала R 1 и R 2 равен I R :

  • Если « В 0 » на нагрузке увеличивается на из-за каких-либо колебаний выходного постоянного напряжения, дискретизированное выходное напряжение на входе (INV) усилителя ошибки увеличивается.
  • Усилитель ошибки
  • сравнивает образец выходного напряжения и В R на своих входных клеммах. Таким образом, разница двух напряжений снижает эффективный входной сигнал усилителя ошибки. Выходное напряжение усилителя ошибки уменьшается. Он подключен к клемме базы транзистора T 1 , который работает как эмиттерный повторитель.
  • Уменьшение сигнала ошибки уменьшает прямое смещение до транзистора T 1 , что, в свою очередь, вызывает уменьшение его выходного тока, тока нагрузки I L .Таким образом, напряжение на нагрузке уменьшается, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.

Аналогичное объяснение может быть дано, когда выходное напряжение « В 0 » на нагрузке уменьшается. Если выходное напряжение уменьшается, эффективный входной сигнал усилителя ошибки увеличивается и вызывает увеличение входного сигнала ошибки, подаваемого на проходной транзистор « T 1 ». Таким образом, прямое смещение к проходному транзистору увеличивается. Это вызывает увеличение тока нагрузки I L через нагрузку.Повышенный ток нагрузки приводит к увеличению выходного напряжения до расчетного постоянного выходного напряжения.

Токоограничивающий транзистор T 2 для защиты от перегрузки и короткого замыкания

Функция ограничения тока необходима для предотвращения короткого замыкания или перегрузки. Цепь ограничения тока предотвращает увеличение токов нагрузки сверх максимально допустимого расчетного значения I max (состояние перегрузки) или состояние короткого замыкания.

  1. Всякий раз, когда от источника питания потребляется чрезмерный ток нагрузки, транзистор T 1 может быть поврежден. Ограничивающий ток Транзистор T 2 и внешний резистор R CL (подключенный снаружи между базой и эмиттером T 2 ) обеспечивает функции ограничения тока в источнике питания (рис. 14.12).
  2. В нормальном режиме работы транзистор T 2 находится в отключенном состоянии.
  3. Клемма ограничения тока CL резистора подключена к выходной клемме В 0 (точка A ), а клемма датчика тока CS подключена к клемме нагрузки извне (точка B ). Ток нагрузки через R CL создает достаточное прямое смещение для включения транзистора ограничения тока для расчетных значений безопасных токов нагрузки. Транзистор T 2 получает часть базового тока T 1 и переходит в состояние ВКЛ.
  4. Часть повышенного тока нагрузки на выходе усилителя ошибки отводится через коллектор T 2 и базовый ток транзистора T 1 уменьшается. Выходной ток через транзистор ( T 1 ) эмиттер уменьшается. Это приводит к снижению выходного тока нагрузки I L до максимального значения. Этот принцип действия по ограничению тока также рассматривается как действие по измерению тока .

Расчет максимального тока нагрузки I L (max) , регулятор IC обеспечивает нагрузку

Если транзистор кремниевый Транзистор В BE = 0,7 В для проводимости.

Рассеиваемая мощность P D регулятором IC

Рассеиваемая мощность регулятора (внутри IC) = P D = ( В дюйм В на выходе ) × ( I L (макс.) ),

, где В, , в — это входное напряжение нерегулируемого постоянного тока, а В, , выход, — это регулируемое выходное напряжение постоянного тока.

График между током нагрузки I L и напряжением нагрузки для регулятора с ограничением тока IC 723 показан на рис. 14.13. Он имеет встроенный предел тока 150 мА. Когда ток нагрузки приближается к максимально допустимому значению, напряжение нагрузки быстро падает. Можно добавить внешние транзисторы, чтобы увеличить его текущую управляемость.

Рис. 14.13 Зависимость тока нагрузки от напряжения нагрузки токоограничивающего регулятора напряжения IC 723

14.4 преобразователя постоянного тока в постоянный

Преобразователи Процесс преобразования энергии можно разделить на четыре типа:

(1) преобразователь переменного тока в постоянный (схемы выпрямителя), (2) преобразователь постоянного тока в переменный (инвертор), (3) преобразователи постоянного тока в постоянный и (4) преобразователи переменного тока в переменный (система ИБП) ).

Типовые области применения преобразователей мощности

  1. Преобразователи переменного тока в постоянный для использования в электронных приборах и источниках питания.
  2. Инвертор (переменный ток от источника постоянного тока) для дома и промышленности при сбоях электроснабжения. Инвертор Электронная схема (оборудование), которая обеспечивает питание переменного тока, получаемое от источника постоянного тока, известна как инвертор . Источник питания переменного тока

    не всегда доступен в различных практических ситуациях. Если доступен источник питания постоянного тока (сухая батарея, аккумуляторная батарея, герметичная необслуживаемая батарея, преобразователь солнечной энергии), преобразование постоянного тока в переменное выполняется с использованием генератора, переключающих устройств и схем управления для питания электронного оборудования. . Такая ситуация возникает в отдаленных деревнях, на борту космических кораблей, спутников и так далее.Инверторы также находят свое применение в электронных сварочных цепях.

  3. Преобразователи постоянного тока в постоянный Входное напряжение в блок преобразователя постоянного тока представляет собой постоянное напряжение, а выходное напряжение также является постоянным напряжением. Выходное напряжение может быть выше или ниже входного постоянного напряжения. Таким образом, это один из типов механизма преобразования энергии, который в основном используется в компьютерах, мобильных телефонах, электронных сварочных цепях и т. Д. Цепи преобразователя постоянного тока

    используются для подачи постоянного напряжения нескольких уровней на различные блоки в компьютерах.Они вырабатывают выходное напряжение постоянного тока разной величины (от одного источника постоянного тока, например, + 12 В или –12 В) для питания двигателей, +5 В или –5 В постоянного тока для работы логических схем привода, от +3,3 В до низкого уровня. Логические схемы напряжения.

    Он похож на трансформатор при преобразовании переменного тока в переменный. При повышении напряжения постоянного тока выходной ток постоянного тока становится меньше, а при понижении напряжения постоянного тока выходной ток постоянного тока больше по сравнению с соответствующими значениями на входе постоянного тока. Это связано с законом сохранения энергии.с

  4. Преобразователи переменного тока в переменный Они используются в системах ИБП, в которых используется процесс двойного преобразования энергии, то есть из сети переменного тока в постоянное напряжение и из постоянного в переменный.

Преобразователь постоянного тока в постоянный

Преобразователь постоянного тока

использует генератор или схему переключения для преобразования постоянного тока в переменный на первой фазе, за которой следует преобразователь переменного тока в постоянный для обеспечения требуемого выходного напряжения постоянного тока. В этом преобразователе проходной элемент используется либо последовательно, либо в шунтирующем тракте в зависимости от конфигурации и периодически переключается с использованием высокой частоты переключения.Контролируя рабочий цикл, можно контролировать выходное напряжение или ток на необходимом уровне. В более ранних версиях преобразователей постоянного тока в постоянный ток тиристоры используются в качестве проходных элементов, где импульс, подаваемый на затвор, управляет проводимостью устройства. Позже используются тиристоры отключения затвора (GTO), такие как прерыватели .

С развитием электронных устройств, BJT используются в качестве переключателей, поскольку они в основном самокоммутативны. Дальнейшие достижения в области устройств привели к использованию силовых полевых МОП-транзисторов в качестве переключающих устройств, поскольку они практически разомкнуты в выключенном состоянии и фактически коротко замыкаются (порядка микроом) во включенном состоянии.Потребляемая мощность MOSFET ничтожно мала. Их время включения и выключения очень низкое по сравнению с другими устройствами по причине их способности работать на высоких частотах. PMOS, NMOS MOSFET используются в качестве переключающих элементов. PMOS предпочтительнее при использовании в качестве последовательного элемента, в то время как NMOS FET используется как шунтирующий элемент.

Диоды, используемые в последних преобразователях, представляют собой аксиально-выводные выпрямители, работающие по принципу барьера Шотки или типа перехода с металлическим полупроводником с горячим носителем.Они идеально подходят для использования в качестве свободно вращающихся диодов (диодов защиты полярности). Они имеют чрезвычайно низкое прямое падение напряжения и связаны с низкими потерями мощности, что способствует повышению эффективности преобразователей. Последние разработки заменяют эти диоды переключателями MOSFET, известными как синхронные выпрямители .

Различные преобразователи используют один из двух следующих типов стратегий управления для изменения среднего значения выхода. Это (1) регулировка соотношения времени и (2) регулировка ограничения тока.

При управлении соотношением времени коэффициент заполнения ( δ ) цепей преобразователя изменяется двумя способами: (1) работа с постоянной частотой и (2) работа с переменной частотой.

  • В режиме с постоянной частотой , время включения T ON изменяется, при этом частота f = (1/ T ) остается постоянной. Этот метод известен как широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
  • В режиме работы с переменной частотой , период времени ( T = T ВКЛ + T ВЫКЛ ) изменяется путем сохранения постоянной T ВКЛ или T ВЫКЛ постоянной.Этот метод известен как частотная модуляция. При использовании работы с переменной частотой конструкция трансформаторов или катушек индуктивности усложняется. Таким образом, метод ШИМ более популярен.

Классификация преобразователей постоянного тока

  1. Обратные преобразователи Входная энергия изначально сохраняется в магнитной форме. Позже энергия передается нагрузке.
  2. Прямые преобразователи Входная энергия проходит через магнитную форму и к нагрузке одновременно.
  3. Двухтактные преобразователи Это усовершенствованные преобразователи прямого действия, используемые в двухтактном режиме.

Другой способ классификации преобразователей постоянного тока в постоянный

  1. Неинвертирующий тип Полярность выходного и входного напряжения одинакова.
    • Понижающий преобразователь (понижающий регулятор) Выходное напряжение поддерживается на более низком уровне по сравнению с уровнем входного напряжения при сохранении той же полярности.
    • Повышающий преобразователь (повышающий регулятор) Выходное напряжение поддерживается на более высоком уровне по сравнению с входным уровнем при сохранении той же полярности.
  2. Инвертирующий тип Полярность выходного напряжения противоположна полярности входного напряжения.
  3. Понижающий-повышающий преобразователь (инвертирующий, понижающий / повышающий преобразователь) Регулируя рабочий цикл ШИМ, выходное напряжение может повышаться или понижаться с различной полярностью по сравнению с входными напряжениями. Если рабочий цикл ( δ ) меньше 0,5, преобразователь работает как понижающий преобразователь .Если δ > 0,5, преобразователь ведет себя как повышающий преобразователь .

Другая важная классификация преобразователей

Эта классификация основана на типе изоляции между входными и выходными каскадами.

  • Изолирующий тип Полностью диэлектрический между входной и выходной цепями за счет использования нескольких вторичных обмоток на трансформаторе.
  • неизолированный тип Диэлектрическая изоляция не используется. Напряжение можно повышать или понижать в небольшом соотношении менее 4: 1.

Далее, более популярны преобразователи CUCK и Charge-Pump

Регулятор КПД преобразователей постоянного тока

Выходная мощность нагрузки Выходное напряжение Выход P out = ( V out ) × токовый выход ( I out )

Входная мощность — это общая мощность, потребляемая от источника = P IN

Полная входная мощность — это произведение входного постоянного напряжения ( В, в ) и среднего тока, потребляемого на входном порте импульсного стабилизатора.

∴ КПД преобразования мощности постоянного тока импульсным стабилизатором η :

Обратный преобразователь Обычно используется для получения низкого выходного напряжения высокого напряжения, а также для изолированных нескольких выходных напряжений. Энергоэффективность ниже по сравнению с другими схемами преобразователя. Конвертеры Fly Back могут иметь внешний привод или автоколебательные.

Обратный преобразователь с внешним управлением (рис. 14.14) использует полевой МОП-транзистор в качестве переключающего устройства.В практических схемах обратная связь по выходному напряжению или току используется для управления коэффициентом заполнения (отношением времени включения к времени переключения), который управляет приводом затвора полевого МОП-транзистора.

Рис. 14.14 Обратный преобразователь с внешним приводом

Первичная и вторичная обмотки обратного трансформатора тесно связаны. Показана только одна вторичная обмотка, и при необходимости можно использовать несколько вторичных обмоток для создания изолированных нескольких вторичных напряжений .

Обратный трансформатор работает иначе, чем обычный трансформатор.

Обратные преобразователи

обычно используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как осциллографы с катодным излучением, тестеры высокого напряжения (электронные мегомметры), счетчик Гейгера Миллера и трубки, используемые для измерения уровня в угольных бункерах на тепловых электростанциях .

Особенности обратных преобразователей

(1) Меньшее количество компонентов, (2) Простая схема привода, (3) Самый низкий КПД порядка 60–70% и (4) Максимальное содержание пульсаций.

Практические схемы обратного хода используют диод Шотки с быстрым восстановлением, включенный последовательно с комбинацией конденсатора и резистора, образующий цепь Snubber (последовательная RC-цепь, подключенная через диод), подключенную через первичную обмотку обратного трансформатора, чтобы обеспечить путь с низким сопротивлением для токи индуктивности рассеяния и тем самым защищают обратный трансформатор от скачков напряжения.

Конвертер прямого вращения (рис. 14.15) Он предлагает на более низкую пульсацию , чем обратный преобразователь .Это полезно для источников питания с низким выходным напряжением, используемых в ИС TTL, операционных усилителях и т. Д. Это основной строительный блок, на котором можно построить двухтактный преобразователь из с высоким КПД и улучшенным регулированием. Простая схема неизолированного прямого преобразователя (рис. 14.15).

Рис.14.15 Неизолированный прямой преобразователь

Во время включения переключателя энергия, накопленная в катушке индуктивности, передается в нагрузку, поскольку диод смещен в обратном направлении во время T ON .В период ВЫКЛЮЧЕНИЯ выключатель размыкается. Напряжение на индуктивности L меняется на противоположное, и диод смещается в прямом направлении (диод переходит в проводимость), позволяя току индуктивности непрерывно циркулировать в течение длительного времени, пока переключатель не будет включен. Диод известен как диод свободного хода или диод маховика . Циклическая работа продолжается до достижения установившегося состояния.

Рабочий цикл δ (отношение T ON к времени переключения T ) определяет соотношение выходного напряжения и входного напряжения.Вышеупомянутый преобразователь представляет собой прямой преобразователь неизолированного типа .

Прямые преобразователи изолированного типа (рис. 14.16) Прямые преобразователи изолированного типа в настоящее время более популярны для реализации низковольтных сильноточных средних источников питания мощностью порядка нескольких десятков ватт (100 Вт). Принципиальная топология прямого преобразователя изолированного типа показана на рис. 14.16. Изоляция входных и выходных цепей достигается за счет использования трансформатора между двумя цепями.

Фиг.14.16 Базовая топология прямого преобразователя изолированного типа

Когда переключатель включен из-за привода управляющего затвора, входное напряжение постоянного тока В, , в подается на первичную обмотку трансформатора. Одновременно, в зависимости от соотношения витков трансформатора, на вторичной обмотке трансформатора появляется напряжение по той причине, что полярности первичной и вторичной обмоток одинаковы. Диод D 1 получает прямое смещение и выпрямление, а на нагрузку подается отфильтрованный выходной сигнал.Эта операция при включенном переключателе известна , режим питания .

Когда переключатель выключен, нет напряжения ни в первичной, ни во вторичной обмотке трансформатора. Однако ток через LC-фильтр продолжает течь без резких изменений. Диод свободного хода D 2 предлагает путь для затухания тока катушки индуктивности, поскольку он течет против выходного напряжения. Работа во время периода отключения известна как режим свободного хода .Циклическая работа продолжается и приближается к установившемуся состоянию. И индуктор, и конденсатор разделяют ток нагрузки. Конденсатор должен иметь меньшее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и ESL, чтобы обеспечить высокий номинальный ток пульсации для конденсатора фильтра. Q индуктора должно быть достаточно высоким, чтобы индуктор вел себя как идеальный индуктор.

Поскольку используется высокочастотный режим в диапазоне 100 кГц, размеры компонентов фильтра и трансформатора становятся небольшими. Трансформатор, катушка индуктивности, конденсатор и радиатор для коммутирующего устройства определяют объем и плотность источника питания.

Рис. 14.17 Топология прямого преобразователя изолированного типа с третичной обмоткой

Для практического прямого преобразователя трансформатор не должен иметь воздушных зазоров на пути потока. Дополнительная третичная обмотка введена в трансформатор из-за наличия конечного тока намагничивания в практическом трансформаторе. Бифилярная обмотка должна быть предусмотрена в первичной обмотке трансформатора, а третичная обмотка намотана вместе.Они должны выдерживать большое электрическое напряжение.

Двухтактный преобразователь Это наиболее широко используемая схема преобразователя, используемая для более высокой мощности. Это связано с высокой производительностью, меньшей пульсацией, высокой эффективностью и лучшим регулированием. Он находит свое применение в автомобильных радиоприемниках, автомобильных проигрывателях компакт-дисков и микропроцессорных автоматических встроенных системах, где напряжение батареи переходит в высокое напряжение, используемое для электронного оборудования. Они также используются в современных персональных компьютерах, ноутбуках и телевизорах для создания нескольких напряжений, необходимых для их работы.

Схема несимметричного двухтактного преобразователя с внешними противофазными приводами показана на рис. 14.18. Время включения обоих переключающихся полевых МОП-транзисторов одинаково и противоположно по фазе. Они управляются поочередно с помощью приводов затвора, не совпадающих по фазе. Напряжение на стыке C 1 и C 2 составляет 0,5 В в . Из-за действия переключения прямоугольная волна пикового напряжения В, , в появляется в первичной обмотке трансформатора.Это превращается во вторичную сторону. Двухполупериодный выпрямитель, состоящий из диодов D 1 и D 2 , выпрямляет вторичное напряжение, и выпрямленное и фильтрованное напряжение появляется на нагрузке. Постоянное выходное напряжение постоянного тока управляет нагрузкой. В сердечнике трансформатора отсутствует намагничивание постоянного тока. Частота пульсаций на выходе в два раза превышает частоту коммутации. Вместо использования схемы трансформатора, как в приведенной выше схеме, можно использовать трансформатор с центральными отводами как во вторичной, так и в первичной обмотках в двухтактной форме прямого преобразователя (рис.14.19). Благодаря этой модификации выходное напряжение преобразователя в два раза превышает напряжение более раннего преобразователя.

Рис. 14.18 Двухтактный несимметричный преобразователь с внешним приводом затвора

Рис. 14.19 Двухтактный преобразователь прямого хода с внешним приводом затвора

Понижающий преобразователь (регулятор; понижающий преобразователь) (рис. 14.20) Понижающий импульсный стабилизатор используется для понижающего преобразования входного постоянного напряжения в более низкое выходное постоянное напряжение той же полярности.Есть четыре основных компонента: (1) силовой MOSFET ( T ), (2) диод маховика D (также известный как Catcher Diode ), (3) индуктор L и (3) фильтрующий конденсатор. C в цепи понижающего преобразователя. Он имеет дополнительную схему ШИМ, усилителя ошибки, генератора коммутируемой частоты, компаратора и усилителя переключения.

Рис. 14.20 Понижающий преобразователь (преобразователь постоянного тока в постоянный)

Работа понижающего преобразователя (рис.14.20)

Часть выходного напряжения воспринимается цепью делителя потенциала и подается в усилитель ошибки, где она сравнивается с опорным напряжением. Ошибка увеличивается и сравнивается с выходным напряжением генератора фиксированной частоты в компараторе. Генератор с фиксированной частотой представляет собой генератор треугольного пилообразного напряжения.

Линейное напряжение подключено к неинвертирующему входу схемы компаратора. Сигнал ошибки подается на инвертирующий вход компаратора.Когда линейное напряжение превышает усиленный сигнал ошибки, выход компаратора, в свою очередь, переходит на сторону высокого уровня, вызывая выключение полевого МОП-транзистора. Поскольку силовой полевой МОП-транзистор связан с большой емкостью затвора, коммутирующий усилитель подключается между выходом компаратора и затвором полевого МОП-транзистора. МОП-транзистор включается и выключается со скоростью рабочего цикла ( δ ) ШИМ.

Упрощенная схема понижающего преобразователя с блоком ШИМ показана на рис. 14.21. В этом понижающем преобразователе, в соответствии с рабочим циклом ( δ ) ШИМ, устройство MOSFET включается и выключается, так что оно подключает и отключает входное напряжение на катушку индуктивности.

Рис. 14.21 Принципиальная принципиальная схема понижающего преобразователя (DC-to-DC)

MOSFET проводит время во включенном состоянии, а затем диод смещается в обратном направлении (выключается). Тогда напряжение на катушке индуктивности L составляет ( В, , , В, , , выход, ). Ток индуктора увеличивается с крутизной ( В в — В на выходе ) / L (рис.14.21 и 14.22). (При увеличивающейся форме кривой) Ток индуктора протекает через выходной конденсатор и сопротивление нагрузки R L . Конденсатор заряжается в течение этого периода времени. T ON устройства.

Рис. 14.22 Поведение понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный во время периода включения

Во время выключения полевой МОП-транзистор не проводит. Тогда входное напряжение не подключается к катушке индуктивности.В этом случае энергия, накопленная в катушке индуктивности, смещает вперед свободно вращающийся диод (который также известен как улавливающий диод , ) и поддерживает непрерывный ток через нагрузку (и возвращается через диод). Напряжение на катушке индуктивности становится равным — В на выходе ( В, в равно нулю из-за выключенного состояния переключателя MOSFET). Затем ток в катушке индуктивности начинает спадать с крутизной — ( В, из / л)… (с формой затухающей кривой) (Рис.14.23).

Рис. 14.23 Поведение понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный во время периода выключения

Резервуар энергии, образованный катушкой индуктивности L и конденсатором C , поддерживает напряжение и ток нагрузки в течение периода выключения полевого МОП-транзистора. Потенциал прямоугольного узла стока, состоящего из высших гармоник, применяется к фильтру нижних частот, содержащему LC-цепь. Гармоники фильтруются и удаляются. Выходной сигнал преобразователя представляет собой плавное постоянное напряжение, связанное с незначительной пульсацией.

Изменение выходного напряжения, тока индуктора и выхода компаратора (рис. 14.24)

(понижающий преобразователь)

Входная мощность P в (постоянный ток) в регуляторе напряжения — это произведение входного напряжения и максимального среднего входного тока.

Выбор переключающего MOSFET-транзистора должен выполняться с более высокой допустимой токовой нагрузкой, чем входной или выходной ток, в зависимости от того, что больше.

Фиг.14.24 Различные сигналы в понижающем преобразователе

Выходная мощность — это произведение выходного напряжения и выходного тока нагрузки:

В этом случае для схемы понижающего преобразователя выходное постоянное напряжение меньше входного. Естественно, выходной ток ( I, , , выход ) должен быть больше, чем входной ток ( I, , , ).

Повышающий преобразователь (повышающий; рис. 14.25)

Фиг.14.25 Повышающий преобразователь (повышающий)

Повышающий преобразователь известен как повышающий преобразователь, поскольку генерируемое выходное напряжение В, , , выходное больше, чем входное напряжение ( В, , , выходное напряжение ). N-MOSFET подключается как шунтирующий элемент в схеме и выполняет функцию проходного переключающего элемента. MOSFET управляется ШИМ для включения и выключения устройства со скоростью переключения f s = 1/ T .

Генерация сигнала ШИМ аналогична показанной на рис.14.20 понижающего преобразователя. Упрощенная схема повышающего преобразователя с блоком ШИМ представлена ​​на рис. 14.26.

Рис. 14.26 Упрощенный повышающий преобразователь (повышающий)

Во время включения ток от входного источника протекает через индуктивность L . Ток через катушку индуктивности увеличивается с крутизной (- В, , , , , , L, ). Диод имеет обратное смещение, а энергия накапливается в катушке индуктивности.Эту часть работы можно понять из рис. 14.27.

Рис. 14.27 В состоянии включения повышающего преобразователя

Когда полевой МОП-транзистор переводится в выключенное состояние из-за сброса напряжения привода (линейное изменение частоты), диод смещается в прямом направлении. В момент выключения NMOSFET ток I L через индуктор линейно уменьшается со скоростью ( В, в — В на выходе ) / L через нагрузку и диод.Резервуар энергии от катушки индуктивности L передается конденсатору фильтра и нагрузке R L . Конденсатор заряжается до напряжения, превышающего входное напряжение постоянного тока (рис. 14.28).

Рис. 14.28 В состоянии отключения повышающего преобразователя

Входная мощность P в (постоянный ток) в регуляторе напряжения — это произведение входного напряжения и максимального среднего входного тока. P дюйм (DC) = В дюйм × I дюйм . Выбор переключаемого полевого МОП-транзистора выполняется с более высокой допустимой токовой нагрузкой, чем входной или выходной ток, в зависимости от того, что больше.

Выходная мощность — это произведение выходного напряжения и выходного тока нагрузки:

В этом случае для схемы повышающего преобразователя выходное напряжение постоянного тока больше входного напряжения. Естественно, выходной ток I out должен быть меньше входного тока I в .

Изменение тока индуктора в повышающем преобразователе (рис. 14.29)

Рис. 14.29 Изменение тока индуктора в повышающем преобразователе

Понижающий-повышающий преобразователь [Инвертирующий и понижающий / повышающий преобразователь] (рис. 14.30)

  • Регулируя рабочий цикл ШИМ, выходное напряжение В, из может повышаться (увеличиваться) или понижаться (понижаться) по сравнению с входным напряжением.
  • Для δ > 0,5 преобразователь работает как повышающий преобразователь .
  • Для δ <0,5 схема преобразователя на рис. 14.29 работает как понижающий преобразователь.

Рис. 14.30 Упрощенная блок-схема повышающего преобразователя

Когда MOSFET включен, диод D смещен в обратном направлении и выключен (работает как разомкнутый переключатель). Ток стока протекает через катушку индуктивности с крутизной ( В, , , , , , L, ).Ток стока и, в свою очередь, ток нагрузки увеличивается с I L (мин) до I L (макс) .

Когда полевой МОП-транзистор выключается, диод смещен в прямом направлении и проводит ток. Ток в катушке индуктивности продолжает течь и линейно уменьшается с наклоном (- В, , выход / L ) через диод и нагрузку. Энергия от катушки индуктивности передается конденсатору фильтра C и нагрузке R L .

Упрощенная принципиальная схема пониженно-повышающего преобразователя (рис. 14.31)

Рис. 14.31 Упрощенная блок-схема повышающего преобразователя

Преобразователь CUK

Преобразователь

CUK (произносится как chook converter ) назван в честь его изобретателя. Это производная версия базовых преобразователей Buck, Boost и Buck-Boost . В этом преобразователе CUK могут быть реализованы все преимущества базовых преобразователей.

Характеристики

(1) Постоянный входной ток (входной фильтр не требуется). (2) Постоянное выходное напряжение с минимальной пульсацией. (3) Более высокое или меньшее выходное напряжение по сравнению с входным напряжением может быть получено с противоположной полярностью. (4) Коэффициент мощности можно улучшить с помощью хорошо спроектированного регулятора. (5) Преобразователь CUK представляет собой каскадную версию понижающего и повышающего преобразователей, использующую дополнительную катушку индуктивности и конденсатор. Это отличительная черта от других конвертеров.Принципиальная схема преобразователя CUK представлена ​​на рис. 14.32.

Рис. 14.32 Преобразователь CUK

Когда переключатель MOSFET включен (в соответствии с вариациями рабочего цикла PWM), входной ток течет через катушку индуктивности L 1 и переключатель MOSFET. Энергия накапливается в магнитном поле индуктора L 1 . Падение напряжения на индукторе противодействует входному напряжению.

Когда полевой МОП-транзистор выключен в соответствии с изменениями рабочего цикла от линейной ШИМ, индуктор L 1 противодействует протеканию тока, мгновенно изменяя ЭДС на обратную индуктивность, заставляя непрерывный входной ток течь через конденсатор C 1 и в диод с прямым смещением.Конденсатор C 1 является основным накопительным элементом и заряжается, накапливая электрическую энергию.

Во время следующего цикла, когда полевой МОП-транзистор снова включается, накопленная энергия в конденсаторе C 1 передается (высвобождается) путем нахождения пути через L 1 и разрядки в нагрузку. Здесь индуктор L 2 и конденсатор C 2 функционируют как LC-фильтр, минимизирующий пульсации на выходе.Следует отметить, что во время этого цикла энергия снова накапливается в индукторе L 1 . Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто установившееся состояние.

Среднее значение напряжения на катушке индуктивности равно

.

, где δ — коэффициент заполнения ШИМ, а В C1 — напряжение на конденсаторе C 1 . В в = входное постоянное напряжение; В L1 = В дюйм — (1 — δ ) В C1 .

В установившемся режиме В L1 = 0

Аналогично, среднее значение падения напряжения на катушке индуктивности L 2 равно

.

В установившемся режиме В L2 = 0

В выход = — δV C1

Подставляя значение В C1 в приведенное выше уравнение, мы получаем

Вышеприведенное выражение показывает, что полярность выходного напряжения инвертируется по сравнению с полярностью входного напряжения.

  1. Если δ > 0,5, преобразователь работает как повышающий преобразователь.
  2. Если δ <0,5, преобразователь работает как понижающий преобразователь.
  3. Если δ = 0,5, преобразователь ведет себя как простой преобразователь.

Поскольку как входные токи, так и выходные напряжения являются непрерывными с меньшим содержанием пульсаций и улучшенным коэффициентом мощности, преобразователь CUK находит свое применение в управлении питанием, где по существу требуются низкий входной и меньший выходной шум.

14,5 Цепи умножителя напряжения
14.5.1 Преобразователь загрузочного насоса

Более ранние базовые импульсные регуляторы — понижающий, повышающий, понижательно-повышающий, CUK, летающие и прямые преобразователи — работают по основному принципу хранения энергии в магнитном поле и по существу используют по крайней мере один индуктор.

В преобразователях Charge-Pump, совершенно другой принцип хранения электрической энергии в конденсаторе. Конденсатор известен как летающий конденсатор ( C F ) или конденсатор типа Bucket.Это либо диэлектрический конденсатор, либо электролитический конденсатор с низким ESR. Керамические конденсаторы обладают множеством преимуществ, так как обеспечивают быстрое переключение и эффективную фильтрацию.

Во время цикла зарядки конденсатор подключается к нерегулируемому входному источнику постоянного тока и заряжается. Он не может заряжаться резко (напряжение на конденсаторе не может мгновенно измениться) и заряжается экспоненциально со временем. В режиме разряда накопленная энергия в летающем конденсаторе передается или перекачивается в другой конденсатор (накопительный конденсатор) C R и в нагрузку.Устройства MOSFET осуществляют переключение этих конденсаторов с высокой частотой переключения. Это фундаментальный принцип преобразователя с накачкой заряда .

Поскольку катушки индуктивности не используются, а конденсаторы легко интегрируются в современные ИС, преобразователи зарядных насосов можно сделать более компактными, дешевыми и эффективными. КПД преобразователя заряда-накачки — это отношение выходного (постоянного) напряжения к входному (постоянному) напряжению. Их эффективность достигает 95%. Они доступны в современных ИС нано-поколения для приложений управления питанием, особенно в портативных устройствах с низким энергопотреблением, таких как сотовые телефоны, карманные компьютеры, основные источники питания для процессоров будущего поколения, источники питания на основе DSP, цифровые камеры, низковольтные устройства. Шина постоянного тока, выходные USB-порты, белый светодиодный фонарь, часто используемый на экранах КПК, в EEPROM, флеш-памяти, переключателях уровня RS232 (рекомендуемый стандарт).

Схемы умножителей напряжения с преобразователями накачки заряда

Они также используются для получения напряжений порядка × 2 (удвоение напряжения), × 3 (утроение напряжения), × ( Н, ),… нВ в и долей входного напряжения, таких как × (1/2 ), × (2/3), × (2/3), × (4/3) и так далее. Они также используются для получения выходных напряжений противоположной полярности. Ведущие производители ИС используют различные топологии и переключающие полевые МОП-транзисторы для преобразователей с накачкой заряда .Ниже описаны несколько топологий.

Удвоитель напряжения зарядного насоса (нерегулируемый тип) (рис. 14.33)

Рис. 14.33 Удвоитель напряжения зарядного насоса (нерегулируемый)

Рис. 14.34 Типовая схема преобразователя заряда-накачки IC

Преобразователь заряда-насоса для питания 5 В (рис. 14.35)

Фиг.14.35 Преобразователь заряда-помпы, используемый для выработки источника питания 5 В с питанием от USB-порта ПК

14.6 Импульсные регуляторы напряжения

Введение

Линейные регуляторы напряжения

Регуляторы серии

и шунтирующие регуляторы известны как диссипативные регуляторы . Элемент управления непрерывно проводит в активной области, рассеивая при этом больше энергии в процессе преобразования энергии. В линейном режиме они действуют как переменное сопротивление.Их эффективность преобразования обычно составляет порядка 35–45%. Разница напряжений между входом и выходом является основной причиной более низкой эффективности преобразования. Эти регуляторы используются в приложениях со средним током, поддерживающих малое напряжение. Отвод мощности осуществляется с помощью радиаторов и принудительной вентиляции.

Цепи регулятора серии

и шунтирующего регулятора поддерживают постоянное выходное напряжение постоянного тока, главным образом управляя проводимостью проходного или управляющего транзистора серии .Транзистор все время проводит в своей активной области — блок питания работает. Управляющий транзистор рассеивает больше мощности при больших токах нагрузки, когда разница между входным и выходным напряжениями больше, а полезная мощность нагрузки становится меньше.

Энергоэффективность , которая представляет собой отношение мощности нагрузки к общей входной мощности, будет небольшой.

Ограничения линейного регулятора напряжения

  • Более низкая эффективность преобразования мощности из-за непрерывной проводимости управляющего транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока от регулятора.
  • Фиксированные выходные напряжения.
  • Поскольку рабочая частота сети переменного тока составляет 50 Гц, трансформаторы и фильтрующие элементы имеют большие размеры.

Для устранения вышеуказанных основных ограничений линейного регулятора, импульсный регулятор в форме ИС используется в персональных компьютерах, где меньшие размеры оборудования играют важную роль.

Импульсный регулятор Импульсный регулятор использует процесс преобразования мощности без рассеяния. Элемент управления переключается между ВКЛ и ВЫКЛ (между насыщением и отсечкой) на очень высокой частоте (известной как частота переключения ).Выходное напряжение не зависит от разницы между входом и выходом. Таким образом, рассеиваемая мощность становится очень маленькой, а эффективность преобразования энергии становится очень высокой, порядка 95%. Из-за более высокой частоты переключения размеры компонентов станут намного меньше. Их можно сделать компактными, небольшими по размеру и весу. Нет необходимости в радиаторах.

Когда важна энергоэффективность, используется импульсный регулятор напряжения . Интервалы проводимости управляющего транзистора мощности уменьшаются путем включения / выключения транзистора с помощью ШИМ, чтобы минимизировать рассеиваемую в нем мощность.Входное напряжение ( В, , в ) не подключено постоянно к цепи регулятора. Он подключается к нагрузке через переключатели MOSFET, которые включаются и выключаются на очень высоких частотах, чтобы ограничить углы проводимости силовых транзисторов. При работе схемы импульсного регулятора используются более высокие частоты переключения. Частоты переключения с использованием полевых МОП-транзисторов составляют порядка 200 кГц.

В то же время частоты переключения не могут быть очень высокими, потому что это увеличивает рассеиваемую мощность в транзисторах управляющей мощности, что может привести к тепловому разгоне .

Преимущества регуляторов переключения

(1) Повышенная эффективность преобразования энергии. (2) Несколько уровней выходных напряжений от одного уровня входного напряжения. (3) Компактность по размеру и весу, что дает гибкость в дизайне.

Различные блоки базового регулятора импульсного напряжения

(1) Нерегулируемое напряжение постоянного тока, (2) Переключающее устройство, (3) Схема отбора проб, (4) Опорное напряжение, (5) Компаратор, (6) Генератор импульсов, (7) Схема драйвера и (8) Ступень фильтра.

Работа импульсного регулятора напряжения (рис. 14.36)

  1. Источник напряжения Импульсный стабилизатор получает питание от нерегулируемого источника постоянного тока или батареи. Источник должен обеспечивать необходимую мощность для компенсации потерь в катушках индуктивности, конденсаторах и коммутационных устройствах. В случае сбоя питания источник должен быть в состоянии подавать энергию для выполнения любых запланированных отказоустойчивых операций или операций восстановления.
  2. Переключающее устройство Переключающее устройство может быть транзисторным, DEMOSFET или тиристорным.Переключатель работает между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ в соответствии с рабочим циклом управляющего сигнала и, таким образом, регулирует среднее напряжение постоянного тока на предварительно определенном значении. Коммутатор должен выдерживать перегрузки, вызванные неисправностями нагрузки. У него должен быть хороший пиковый рейтинг .
  3. Выборка Nework Механизм обратной связи необходим для управления временем включения-выключения переключающего устройства. Выходное напряжение измеряется с помощью схемы делителя напряжения. Отобранная часть выходного напряжения подается на компаратор .
  4. Опорное напряжение Используется стабилитрон с температурной компенсацией.
  5. Компаратор Компаратор питается двумя напряжениями — дискретных и опорных напряжений . Его функция — генерировать сигнал ошибки. Компаратором обычно является дифференциальный усилитель .
  6. Генератор импульсов Асимметричный мультивибратор, управляемый постоянным током, приводится в действие сигналом ошибки от компаратора. Результирующая последовательность импульсов подается на диод для управления переключающим устройством.Генератор импульсов, который создает асимметричную волну с изменяющейся шириной импульса (широтно-импульсная модуляция , ШИМ ), используется для управления переключающими элементами.

    Рис. 14.36 Схема импульсного регулятора напряжения

    Ширина импульса или коэффициент заполнения импульса ШИМ варьируется в зависимости от ошибок компаратора. Коэффициент заполнения последовательности импульсов обычно составляет 10–90%. Максимальная ширина импульса, которую должен обрабатывать переключающий транзистор, составляет ≤ 0.01 f S , где f S — частота переключения. Коэффициент заполнения или рабочий цикл δ определяется как период включения и выражается в процентах от времени. Это отношение времени включения ( t ON ) к периоду времени T формы импульса.

    , где f S — частота переключения последовательности импульсов, t ON — время включения формы импульса, T — период времени формы импульса = t ON + t ВЫКЛ и t ВЫКЛ — это период отключения импульсного сигнала.

    Если рабочий цикл увеличить, выходное напряжение постоянного тока будет больше и связано с

    Основные принципы работы ШИМ, показывающие изменяющийся сигнал ошибки, генерирующий сигнал переключения с широтно-импульсной модуляцией, показаны на рис. 14.37.

    На рис. (14.38) t ON = 150 мкс и T = (150 + 50) = 200 мкс

    на рис. 14.38,

    Фиг.14.37 Сигнал переменной ошибки генерирует сигнал широтно-импульсной модуляции

    На рис. 14.38, t ВКЛ = 50 мкс и T = (50 + 150) = 200 мкс

    Из приведенного выше обсуждения, чем больше рабочий цикл, тем больше выходное напряжение постоянного тока. Контур обратной связи корректирует изменение времени включения ШИМ и управляет переключением транзистора для регулирования. Этот фундаментальный принцип используется в импульсном регуляторе .

    Из уравнения δ = t ВКЛ × f S Рабочий цикл пропорционален частоте переключения. Более ранние импульсные регуляторы использовали в качестве частоты переключения 20 кГц, чтобы получить оптимальную эффективность и компактный размер регулятора. Эта частота не слышна человеческому уху. С развитием коммутационных устройств современные устройства используют частоты до 50 кГц, 500 кГц и даже 100 МГц. Причина в том, что размер катушки индуктивности в фильтре уменьшается с увеличением частоты, после чего уменьшается пульсация.Но увеличение частоты нежелательно, так как электрический шум также увеличивается (повышенное излучение электрического шума снижает эффективность). С увеличением частоты потери на вихревые токи больше, чем потери на гистерезис, и конструкция фильтра усложняется.

    С другой стороны, если частота переключения выбирается на более низких частотах, размер компонентов фильтра и размер регулятора увеличиваются. Но это также снижает шум, что приводит к повышению эффективности. Таким образом, необходимо должным образом учитывать частоту переключения, принимая во внимание устройство переключения, размер фильтра и уровень шума .

    Современные достижения используют полевой МОП-транзистор, способный работать на высоких частотах, для увеличения плотности мощности и высокой эффективности преобразования мощности (~ 95%).

  7. Схема возбуждения Для управления переключателем мощности используется схема возбуждения между генератором импульсов и переключающим устройством. Обычно они работают в конфигурации CE-транзистора, используя транзистор с высоким значением h fe .
  8. Фильтр-каскад Это сердце импульсного регулятора, поэтому он очень важен.Он определяет эффективность , , переходную характеристику , и , пульсации напряжения, и анализ шума .

Три важных конфигурации цепи фильтра: RC-фильтр, L-фильтр и LC-фильтр . При проектировании сердечников фильтров, тороидальные сердечники предпочтительнее , чем пробковые . Тороидальный сердечник полностью заключен внутри сердечника и излучает меньше шума, тогда как для сердечника пуленепробиваемого типа шумовое излучение больше.Фильтры состоят из ферритов и Moly Permalloy (порошок MPP) для тороидальных сердечников, с низкими потерями и утечкой в ​​сердечнике, а также с высокой проницаемостью.

Рис. 14.38 Вариации выходных напряжений ШИМ в зависимости от переключаемых мелодий

Ограничения импульсного регулятора напряжения

  1. Импульсный регулятор не подходит для аналоговых приложений. Поскольку устройство постоянно переключается между ВКЛ и ВЫКЛ, в соседних элементах схемы появляется шум.Это также приводит к колебаниям выходного напряжения, что ухудшает характеристики регулятора.
  2. Если используются полевые транзисторы, их ток затвора равен нулю, а мощность, потребляемая от источника, равна нулю. Еще одно преимущество использования полевых транзисторов в регуляторах IC заключается в том, что их сопротивление в открытом состоянии очень низкое. Таким образом, более сильные регуляторы тока IC предпочитают использовать устройства на полевых транзисторах. Это также дополнительно уменьшает размер блока регулятора IC. Эти преимущества требуют использования полевых транзисторов в регуляторах IC по сравнению с BJT
  3. .
  4. Импульсный регулятор медленно реагирует на изменения нагрузки.Его можно улучшить, выбрав более высокую частоту переключения.
  5. Внутреннее тепло возникает через ESR, присутствующее в каждом конденсаторе, из-за рассеивания мощности, когда пульсирующий ток течет в конденсатор и выходит из него. Конденсатор выходит из строя, когда ток пульсации превышает максимальное расчетное значение. ESR составляет от 1 до 5 Ом, для стабильной работы регуляторов.
  6. Рабочие токи в импульсных регуляторах низкие из-за ограничения рассеиваемой мощности.
  7. Пульсации напряжения на конденсаторе фильтра имеют очень высокую частоту> 10 МГц, вызывая звонков выходного напряжения.Паразитный эффект конденсатора регулирует работу регулятора.
  8. На входном порте преобразователя в качестве обходного пути используется конденсатор для высокочастотной пульсации. При установке схемы фильтра используется экранирование, чтобы уменьшить помехи в соседних схемах.
  9. Существует ограничение на максимальное номинальное входное напряжение (~ 15 В), чтобы обеспечить возможность рассеивания мощности в цепи.

Сравнение рабочих характеристик линейных и импульсных регуляторов

  1. Преимущества регуляторов переключения

    (a) Более высокая скорость переключателя питания MOSFET приводит к более высокой эффективности переключения из-за меньшего рассеивания мощности от входа к выходу.(b) Размеры устройств малы из-за меньших требований к теплопередаче при маломощном коммутационном воздействии. (c) После преобразования уровня постоянного напряжения выходное напряжение может быть передано через трансформатор на другой блок. Этот тип передаточного механизма обеспечивает гальваническую развязку от входной цепи.

  2. Недостатки с регуляторами переключения

    Они могут быть шумными и требуют управления энергопотреблением в виде контура управления. К счастью, решение этих проблем управления интегрировано в современные микросхемы контроллера переключения режимов.

  3. Преимущества линейных регуляторов
    • Линейные регуляторы обеспечивают более низкий уровень шума и более широкую полосу пропускания.
    • Иногда их простота может предложить менее дорогое решение.
  4. Недостатки линейных регуляторов по сравнению с импульсными регуляторами
    • Выходное напряжение не может быть больше входного.
    • На выходном порте не может возникнуть отрицательное постоянное напряжение.
14.7 Источник бесперебойного питания (ИБП)

Источник бесперебойного питания ( ИБП ) — это система бесперебойного питания переменного тока. Он подает питание на подключенную нагрузку непрерывно, без перебоев, пока этого требуют чувствительные нагрузки. ИБП обеспечивает питание от основного источника (сети), пока он доступен. В случае сбоя в электросети ИБП переключается на внутреннюю аккумуляторную систему . К чувствительным нагрузкам относятся микрокомпьютеры, полупроводниковые запоминающие устройства, хранение и обработка данных, телекоммуникационное оборудование, установки в аэропортах, средства управления и контрольно-измерительные приборы современных электростанций, онлайн-бронирование, онлайн-банкинг и так далее.

Одно из основных применений ИБП — это питание и защита современных компьютеров. Если по какой-либо причине сеть переменного тока отключена, все данные, хранящиеся в памяти, будут потеряны, и запущенные процессы будут прерваны без сохранения контекста. Чтобы избежать таких ситуаций, компьютеры рекомендуется подключать к ИБП, чтобы было безопасное время для продолжения операций на другом удобном безопасном уровне.

При отсутствии ИБП персональный компьютер может привести к зависанию клавиатуры, выходу оборудования из строя, полной потере данных и сожжению материнских плат.Отключение из-за отсутствия электросети или ИБП приводит к катастрофическим и разрушительным повреждениям прикладного процесса. Представьте себе спутниковое управление, где наземные управляющие компьютеры динамически работают с орбитальными спутниками, можем ли мы представить себе подключение к электросети напрямую без защиты от ИБП!

Быстрое увеличение электрических нагрузок, почти в 3-5 раз в жилом секторе и многое другое в коммерческом и промышленном секторах, распределители электроэнергии сталкиваются с трудностями в обеспечении надежного электроснабжения.Питание искажается кратковременными скачками и провалами. Решения ИБП, малые или большие, обеспечивают питание от отключения (отсутствие напряжения) и отключения питания (состояние низкого напряжения), обеспечивая качество электроэнергии.

14.7.1 Статический ИБП в параллельном режиме (рис. 14.39)

Рис. 14.39 Статический источник бесперебойного питания Параллельная система ИБП

ИБП — Принципы работы

ИБП

по существу состоит из (i) выпрямителя , (ii) инвертора , (iii) статического байпасного переключателя , (iv) сервисного байпасного переключателя и (v) аккумуляторной батареи .В случае отказа основного источника питания из-за нарушения в электросети аккумуляторная батарея подключается в плавающем режиме через вход инвертора. Он подает энергию на инвертор. Инвертор преобразует этот источник постоянного тока в источник переменного тока для удовлетворения требований критической нагрузки системы. Когда основное питание восстанавливается, происходит плавный (плавный) переход в течение доли секунды, который восстанавливает работу ИБП.

Переключатель статического байпаса обеспечивает автоматическое бесперебойное мгновенное переключение нагрузки с шины ИБП на входную сеть и предотвращает недопустимые колебания выходного сигнала, вызванные неисправностями в установке ИБП, при внезапных изменениях нагрузки.

Когда требуется запитать большие нагрузки или требуется повышенная надежность, несколько модулей ИБП могут работать в параллельном режиме, чтобы увеличить пассивное (схемное) и активное (на стороне операции) резервирование. Шесть модулей ИБП можно подключать параллельно. Эта операция известна как многоблочная параллельная система.

Энергия, запасаемая аккумуляторной батареей, играет ключевую роль в работе ИБП. Батареи могут быть автомобильными, стационарными, свинцово-кислотными, необслуживаемыми или никель-кадмиевыми. Необслуживаемые батареи предпочтительны для систем ИБП большого размера.Батареи должны иметь достаточную емкость AH (ампер-час) для питания системных нагрузок. Их необходимо зарядить в разумные сроки, чтобы обеспечить полную нагрузку при немедленном отключении электросети.

Системы ИБП

можно разделить на следующие категории:

  1. ИБП онлайн (True UPS)
  2. ИБП OFF-Line (режим ожидания)
  3. Гибридный ИБП (линейно-интерактивный)

ИБП ON-Line В нем используются процессы двойного преобразования, т. Е. Преобразования переменного тока в постоянный и постоянного в переменный.Он обеспечивает выход синусоидальной волны. В случае отказа основного питания он переключается на резервную батарею в течение 3,5 мс. Время поддержки зависит от емкости батарей в ампер-часах. Обычно ИБП ON-Line обеспечивает 10–12 минут резервного питания. Он обеспечивает изоляцию от скачков и скачков напряжения. Он действует как брандмауэр между питанием от сети и электронным оборудованием, защищая от потемнения и потемнения.

Off-Line UPS Резервный резервный источник питания (SBS) решает минимальное количество проблем с качеством электроэнергии.Автономный ИБП известен как SBS. Они обычно используются с автономными ПК, которые используются нечасто. Нагрузка питается напрямую от входной сети, и работа от батареи активируется при отключении питания от сети. Они могут обеспечить 8-часовую резервную копию и обычно используются в крупных компьютерных центрах и больницах. Мощность ИБП обычно составляет порядка 5 кВА.

Гибридный ИБП Использует автономных блоков феррорезонансного типа. Его выходной сигнал представляет собой прямоугольную волну или квазиквадрат (трапецию).Он постоянно работает параллельно с сетью питания. Крупные предприятия, такие как компании по производству программного обеспечения, КИПиА, используют ИБП мощностью порядка 63,5 кВА и выше.

Недостатки ИБП

  1. Нежелательный акустический шум из-за гармоник в звуковом диапазоне, требующий размещения ИБП в отдельном помещении.
  2. Плохой переходный отклик. Внезапные изменения нагрузки приводят к большим переходным процессам, недо- или перерегулированию, продолжающимся до 10 циклов. Это вызывает хаос в нагрузках, особенно в компьютерных системах.

Эти недостатки можно преодолеть, используя более высокие частоты, такие как 15–20 кГц, с использованием методов ШИМ.

Блок-схема ИБП (рис. 14.40)

  • В нормальных ситуациях питание постоянного тока компьютерному оборудованию или электронным устройствам обеспечивается блоками питания постоянного тока с использованием преобразователей переменного тока в постоянный, за которыми следуют интегральные схемы или простые схемы регулятора. (В этой ситуации переключающий контакт реле-1 будет изначально замкнут, а релейный контакт-2 будет разомкнут.)
  • Когда сеть переменного тока отключается во время сбоев питания, реле используются для подключения другого источника постоянного тока в соответствующем ИБП к электронным приборам. Такие ситуации распространены в IT-индустрии, банках, использующих автоматизацию делопроизводства и так далее. (В этой ситуации переключающий контакт реле-1 будет разомкнут, а релейный контакт-2 будет замкнут.)

Рис. 14.40 Блок-схема источника бесперебойного питания

Время автономной работы ИБП во время сбоя питания составляет от нескольких минут до нескольких часов, что зависит от номинальной мощности заряжаемого источника постоянного тока и связанных с ним цепей.Естественно доступная стоимость ИБП увеличивается с увеличением времени резервного питания.

14.8 Импульсный источник питания (SMPS)

Импульсный источник питания (SMPS ) — это электронный блок обработки мощности, который имеет встроенный импульсный стабилизатор . Он преобразует нерегулируемый вход переменного тока из сети (или входного напряжения постоянного тока) в регулируемое выходное напряжение постоянного тока. Он находит применение в ноутбуках, сканерах, мобильных устройствах, zip-накопителях, концентраторах, принтерах, ТВ-приемниках, компьютерах, видеомагнитофонах и т. Д.

SMPS имеет несколько характеристик импульсных регуляторов: (1) высокая эффективность преобразования, (2) легкий вес и компактность, (3) электрическая изоляция нагрузки от источника, (4) меньшая пульсация, (5) обеспечивает несколько изолированных выходов от источника одиночный вход напряжения.

Категории ИИП

  1. AC (вход) –DC (выход) (автономный выпрямитель)
  2. DC (вход) –DC (выход) — (преобразователи постоянного тока в постоянный, регуляторы напряжения или регуляторы тока)
  3. AC (вход) –AC (выход) — (преобразователи частоты) DC (вход) –AC (выход) — (Инверторы)
14.8.1 Работа ИИП (рис. 14.41)

Рис. 14.41 Блок-схема импульсного источника питания

Различные блоки ИИП

(1) первичный выпрямитель и первичный фильтр (входной выпрямитель и фильтр), (2) инверторный прерыватель, (3) высокочастотный трансформатор, (4) вторичный выпрямитель и вторичный фильтр (выходной выпрямитель и выходной фильтр), (5) прерыватель преобразователь и (6) Нагрузка.

  1. Первичный выпрямитель и фильтр первичной очистки

    Линия переменного тока Входное напряжение для SMPS составляет либо (1) 120 Вольт 60 Гц в США, либо (2) 220 Вольт 50 Гц в Индии от сетей распределения электроэнергии.Перед входом первичного выпрямителя переменный ток не преобразуется. Входной переменный ток выпрямляется с помощью кремниевых выпрямителей. Если напряжение сети составляет 120 В при 60 Гц, обычно используется удвоитель напряжения. Если входящее напряжение составляет 220 В переменного тока при 50 Гц, используется двухполупериодный выпрямитель. Выпрямленное напряжение подается на каскадный LC-фильтр для получения более плавного постоянного напряжения с меньшим содержанием пульсаций.

    Если в SMPS используется входящий источник постоянного тока (напряжение постоянного тока, равное 220 × 1,413 = 330 В), напряжение постоянного тока должно подаваться непосредственно на инвертор с помощью механизма автоматического переключения.В таких случаях ступени первичного выпрямителя и фильтра не нужны.

  2. Инверторный прерыватель (преобразователь постоянного тока в переменный)

    Инверторный прерыватель преобразует постоянный ток в переменный ток на частотах выше 25 кГц. Коммутационный транзистор действует как прерыватель . Он постоянно переключается между ВКЛ и ВЫКЛ в соответствии с рабочим циклом ШИМ. Таким образом, рабочий цикл прерванного постоянного тока будет влиять на напряжение переменного тока, генерируемое на вторичной обмотке высокочастотного трансформатора .Для достижения высокого усиления используется высокая частота переключения для передачи электроэнергии через компоненты накопления энергии. Многокаскадные усилители с высоким коэффициентом усиления используются из-за их более низкого сопротивления в открытом состоянии и более высокой допустимой нагрузки по току.

  3. Трансформатор высокочастотный

    Выходное напряжение инверторного прерывателя представляет собой пульсирующий переменный ток. Он напрямую подключен к первичной обмотке высокочастотного трансформатора. Входной сигнал высокочастотного трансформатора не является чистой синусоидой. Трансформатор более компактен, потому что для данного сердечника он способен передавать больше мощности, не доходя до насыщения.Требуется меньше оборотов. Трансформатор небольшой и компактный, так как работает на высокой частоте. У него есть один недостаток — увеличение скин-эффекта проводника с увеличением частоты. Они используют ферритовые тороидальные сердечники для уменьшения размера и веса. Затраты на обмотку тороидальных сердечников больше. Обвязки изготовлены из фирменной проволоки Litz (тип кабельной проволоки, специально разработанный для минимизации скин-эффекта на более высоких рабочих частотах). ВЧ трансформатор является наиболее ответственной ступенью в SMPS и отличается от других регуляторов.Формы сигналов в SMPS — это высокоскоростные сигналы ШИМ. Обмотки высокочастотного трансформатора должны поддерживать высшие гармоники из-за скин-эффекта. Они вызывают серьезную потерю мощности.

  4. Вторичный выпрямитель и вторичный фильтр

    Напряжение, полученное от вторичной обмотки ВЧ трансформатора, подключается к вторичному выпрямителю для другого цикла выпрямления и фильтрации, чтобы получить заданное напряжение постоянного тока. Обычно кремниевый диод используется для напряжений выше 10 В при достаточном PIV (пиковое обратное напряжение , ).

    Для более низких напряжений используются диоды Шотки, поскольку они обладают более быстрым временем восстановления и меньшим падением напряжения при проведении. Вторичный фильтр на самом деле является LC-фильтром из-за его преимуществ перед RC- и L-фильтрами. Необходимы катушки индуктивности и конденсаторы меньшего размера.

  5. Преобразователь измельчителя

    Chopper Technology — это простейшая форма высокочастотного преобразования. Он состоит из переключателя силового транзистора и диода-ловителя (рис. 14.42). Чувствительная схема в SMPS обнаруживает изменения выходного напряжения.Обнаруженные отклонения подключаются к Преобразователь прерывателя . Эти изменения сравниваются с опорным напряжением в преобразователе прерывателя. Его выход представляет собой сигнал ШИМ, который подается на инверторный прерыватель . Его рабочий цикл изменяется в соответствии с ошибкой, которая вызывает увеличение или уменьшение проводимости Инверторный прерыватель .

    Когда есть небольшие изменения напряжения нагрузки, прерыватель-преобразователь стремится поддерживать выходные напряжения на желаемых значениях.При обнаружении повышенного напряжения преобразователь прерывателя уменьшает рабочий цикл сигнала ШИМ. Это, в свою очередь, вызывает снижение напряжения во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, так что выходное напряжение возвращается к заданному исходному значению.

Рис. 14.42 Простая блок-схема импульсного источника питания

Простая блок-схема ИИП

SMPS обеспечивает контролируемое выходное напряжение с незначительными пульсациями и действует как хороший источник постоянного тока.

Нерегулируемое постоянное напряжение В в (больше, чем требуемое выходное постоянное напряжение В на выходе ) подается на SMPS. Конденсатор фильтра C f выполняет фильтрацию до В в . Переключатели MOSFET управления мощностью подключают входное напряжение к нагрузке через индуктор с очень высокой частотой (частоты переключения порядка 50 кГц). Высокочастотное переключение снижает рассеиваемую мощность в силовом транзисторе.

Непрерывные токи нагрузки для поддержания постоянного выходного напряжения могут быть получены с помощью управляющего силового транзистора с помощью индуктора, конденсатора и диодов-улавливателей в действии. Индуктор расположен на выходном тракте для сглаживания колебаний тока нагрузки. Индуктор L и конденсатор C R работают как фильтр нижних частот для сглаживания содержания пульсаций в В, в и обеспечения постоянного выходного напряжения постоянного тока.

Другие отличительные особенности ИИП

(1) Входной ток SMPS имеет более высокое содержание гармоник и относительно низкий коэффициент мощности. Необходимы схемы преобразования коэффициента мощности. Использование сложных банков фильтров фильтрует гармоническое содержание. (2) Применяются специальные методы управления, такие как определение выходного сигнала оптопарой. Некоторые SMPS используются в телевизионных приемниках, таких как плазменные дисплеи.

Недостатки ИИП

  1. Конструкция ИИП довольно сложна по сравнению с импульсным стабилизатором.
  2. Наличие гармонических искажений и высокочастотной пульсации. Гармоники вызывают дополнительный нагрев проводки и соседних цепей.
  3. Фильтр нижних частот должен блокировать электромагнитные помехи высокой частоты.
  4. SMPS, как правило, действуют как диполь в радиопередатчиках. Излучаемые высокие частоты вызывают помехи в радио, телевидении, ПК и периферийных устройствах, подключенных к одной фазе. ИИП должен быть экранирован в металлическом корпусе.
  5. Отказ конденсаторов фильтров в ИИП больше, чем в любом блоке питания, из-за высокочастотных колебаний.
  6. SMPS подвержен поражению электрическим током. Чтобы предотвратить это, необходимо обеспечить заземление.

Особенности блоков питания

Сегодняшние компьютеры, системы управления и различные системы связи нуждаются в специализированных источниках питания. В частности, системы, используемые в телекоммуникационных башнях, наземной связи, телекоммуникационных спутниках — гибридных источниках питания и источниках питания для ИТ-индустрии, имеют разные соображения.

Около полувека назад, с развитием линейной дискретной схемы, источники питания с использованием вакуумных трубок, ртутных дуговых выпрямителей, кремниевых управляющих выпрямителей и полупроводниковых диодов оказались в «черной дыре».Основными рабочими лошадками были выпрямители с управлением от Thyratron, использующие управление с обратной связью.

Позже, когда были разработаны IGFET и MOS устройства с использованием VLSI, SMPS с более высокой эффективностью стали основными источниками питания. Миниатюрные блоки питания с использованием интегральных схем используются в течение последних трех десятилетий. Специализированные источники питания — аналог цифровых источников питания SMPS-Digital — входят в сферу современных источников питания.

Источники питания для аппаратуры радиосвязи в телекоммуникационных вышках

Радиостанции, ретрансляторы, базовые станции систем мобильной связи должны быть встроены в места, где отсутствует питание от электросети.Им требуются независимые от сети источники питания. Источники питания, не зависящие от сети, сооружаются в специальных укрытиях, например, в помещениях с электропитанием. Гибридные системы, такие как дизельный или солнечный генератор, или ветрогенератор и батареи, предоставляются в зависимости от ситуации на поле. Дизель-генераторы используют дизельное топливо в качестве топлива и выбрасывают выбросы Sox и NOx в окружающую среду.

Энергоаккумуляторы оснащены свинцово-кислотными батареями или стационарными щелочными батареями или специальными никель-кадмиевыми батареями емкостью до 1250 Ач.Обычные батареи в настоящее время заменяются необслуживаемыми батареями. Эти батареи нуждаются в системе немедленного резервирования, панели управления и распределения, а также в распределительном щите постоянного тока.

В некоторых местах маломощные паровые турбины, термоэлектрические генераторы или солнечные батареи дополняют дизельные генераторы. Солнечные батареи должны быть предоставлены для работы в темное время суток при отсутствии солнечного света в дни без солнца. На горных хребтах, открытых равнинах, берегах в воронкообразных деревнях, пустынях и островах гибридные источники питания используют ветряные генераторы и батареи.В некоторых гибридных источниках питания, например в наземных системах связи, инверторы используются в параллельном расположении половинной нагрузки со статическим переключателем с устройством для переключения на питание от сети. Они также имеют резервирование.

Радиолинии или базовые станции мобильных станций используют высокие башни для установки антенных систем. Они подвержены ударам молнии. Специальные меры адаптированы для защиты от молнии. Им нужен специальный тип заземления или устройство заземляющей сети, где несколько заземляющих электродов образуют заземляющий мат, чтобы поддерживать сопротивление заземления в пределах 1 Ом.В каменистой почве необходимо обеспечить заземление для защиты от ударов молнии, перегрузки и т. Д. Диоды-ограничители перенапряжения, стабилитроны обеспечивают ограничение перенапряжения.

РЕЗЮМЕ
Регуляторы
  1. IC популярны, так как они связаны со сниженной стоимостью производства микросхем, высокой надежностью и гибкой конструкцией.
  2. Расширенная связь через IPAD. Доступны сотовые телефоны с технологией 3G, поскольку блоки питания IC встроены в плату на печатной плате для питания нескольких цепей.
  3. Гибкие возможности, такие как тепловое отключение, защита от перенапряжения, ограничение тока и т. Д., Могут быть стандартизированы как строительные блоки в регуляторах IC.
  4. Для регуляторов напряжения IC предусмотрены устройства для термического отключения и ограничения тока, а для внешних устройств — электронное отключение.
  5. Преобразователи постоянного тока
  6. используются для изменения постоянного напряжения с одного уровня на другой с помощью понижающих, повышающих, понижающих-повышающих, CUK и зарядных преобразователей.
  7. Понижающий преобразователь понижает входное напряжение.
  8. Повышающий преобразователь увеличивает входное напряжение.
  9. В схемах понижающего-повышающего и CUK-преобразователя входное напряжение может повышаться или понижаться с обратной полярностью на выходе.
  10. Преобразователь заряда-накачки основан на принципе накопленной энергии в виде электрического заряда в конденсаторе.
  11. Преобразователь заряд-насос вырабатывает небольшие напряжения порядка входного напряжения x , в зависимости от конфигурации схемы.
Практические вопросы
  1. Используя схему, объясните работу трехконтактного IC стабилизатора напряжения.
    1. Перечислите важные особенности трехконтактных регуляторов напряжения.
    2. Нарисуйте принципиальную схему трехконтактного регулятора напряжения в качестве источника тока и объясните его работу.
    3. Нарисуйте принципиальную схему удвоителя напряжения и объясните его работу. Также нарисуйте формы входных и выходных сигналов. (JNTU, март 2006 г.)
    1. Каковы ограничения трехконтактных регуляторов напряжения?
    2. Изобразите схему цепи регулятора напряжения IC 7812 вместе с нерегулируемой мостовой схемой и выведите выражение для тока нагрузки.(JNTU, март 2006 г.)
    1. Нарисуйте схему регулятора напряжения IC 7805 и объясните его работу.
    2. Используя регулятор напряжения 7805 IC, спроектируйте источник тока для подачи тока 0,25 А на нагрузку 48 Ом 10 Вт. (JNTU, ноябрь 2005 г.)
    1. Нарисуйте схему внутреннего блока и конфигурацию контактов регулятора напряжения IC 723.
    2. Нарисуйте принципиальную схему регулятора IC 7812 вместе со схемой повышения тока и объясните его работу.Выведите выражение для тока нагрузки. (Март 2006 г.)
    1. Нарисуйте схему полуволнового удвоителя напряжения и объясните его работу. Нарисуйте формы входных и выходных сигналов. Какое у него выходное напряжение в условиях холостого хода?
    2. Изобразите цепь регулятора напряжения IC 7815 вместе с нерегулируемой цепью. Выведите выражение для тока нагрузки. (Ноябрь 2005 г.)
    1. Нарисуйте схему регулятора напряжения IC 723 и объясните его принцип.
    2. С помощью аккуратной схемы объясните работу умножителя напряжения. Каковы его приложения? (JNTU, ноябрь 2008 г.)
  2. Напишите короткие примечания по (a) ограничению постоянного тока, (b) обратному ограничению тока, (c) защите ломом и (d) тепловому отключению.
  3. С аккуратной принципиальной схемой, поясняющей работу понижающе-повышающего преобразователя.
  4. Различают различные характеристики линейного регулятора и ИИП.
  5. Почему силовые MOSFET и IGBT предпочтительны в системах ИБП?
  6. Что такое ИБП? Объясните, чем он отличается от регулируемого блока питания? (JNTU, фев.2008)
  7. Используя трехконтактный регулятор напряжения, спроектируйте источник тока, который будет обеспечивать ток 0,25 А на нагрузку 48 Ом 10 Вт. Данные: I Q = 4,2 мА и В R = 5 В. (JNTU, февраль 2008 г.)
    1. Что такое улавливающий диод и объясните с помощью принципиальной схемы необходимость улавливающего диода в регуляторе переключения? (JNTU, ноябрь 2006 г.)
    2. Перечислите рабочие параметры и электрические характеристики IC 723.
    1. Объясните значение фильтра нижних частот в регуляторе переключения.
    2. Какие ограничения у импульсных регуляторов?
    3. Почему частота переключения ограничена в Switching Regulator, а также объясните, как это преодолеть? (JNTU, ноябрь 2006 г.)
Вопросы с несколькими вариантами ответов
  1. Инвертор преобразует _______.
    1. от переменного тока до постоянного тока
    2. переменного тока в переменный ток
    3. от постоянного тока до постоянного тока
    4. постоянного тока в переменный ток
  2. Преобразователь преобразует ________.
    1. AC / DC
    2. AC / AC
    3. постоянного / постоянного тока
    4. постоянного / постоянного тока
  3. Выпрямитель преобразует _________.
    1. AC / DC
    2. AC / AC
    3. постоянного / постоянного тока
    4. постоянного / переменного тока
  4. Система ИБП
  5. преобразует _________.
    1. AC в AC
    2. постоянного тока в переменный ток
    3. от переменного тока до постоянного тока
    4. от постоянного тока до постоянного тока
  6. Стабилитрон используется в цепях питания на _______.
    1. регулировка напряжения
    2. защита
    3. Подавление радиочастоты
    4. ограничение тока
  7. Проходной элемент, используемый в современных импульсных регуляторах ________.
    1. Транзисторы PNP
    2. NPN транзисторы
    3. Тиристор
    4. МОП-транзистор
  8. Коммутационные устройства расположены в шунтирующем тракте для _________.
    1. понижающий преобразователь
    2. повышающий преобразователь
    3. повышающий преобразователь
    4. передний преобразователь
  9. Преобразователь, работающий за счет накопления энергии в виде электрического заряда в конденсаторе, составляет _________.
    1. понижающий преобразователь
    2. Преобразователь харгового насоса
    3. обратный преобразователь
    4. передний преобразователь
  10. Преобразователь, использующий трансформатор для хранения энергии _________.
    1. Обратный преобразователь
    2. понижающий преобразователь
    3. повышающий преобразователь
    4. повышающий преобразователь
  11. Преобразователь постоянного тока в постоянный, наиболее часто используемый в современных импульсных источниках питания с несколькими напряжениями, например, в компьютерах и телевизорах, ________.
    1. Обратный преобразователь
    2. передний преобразователь
    3. преобразователь накачки заряда
    4. повышающий преобразователь
  12. Наибольшее количество проблем с качеством электроэнергии устранено в _________.
    1. ИМПС
    2. регуляторы переключения
    3. ИБП
    4. линейные источники питания
  13. Самый высокий уровень защиты электропитания для серьезного домашнего, офисного пользователя от ________.
    1. автономный SBS (резервный источник питания)
    2. линейный интерактивный SBS
    3. он-лайн ИБП
    4. импульсный источник питания
  14. Тип модуляции, используемый в преобразователе постоянного тока в постоянный: ________.
    1. Амплитудная модуляция
    2. широтно-импульсная модуляция
    3. Импульсно-позиционная модуляция
    4. частотная модуляция
  15. Тип преобразователя, созданного на основе схем удвоения и умножения напряжения выпрямителя _______.
    1. преобразователь накачки заряда
    2. обратный преобразователь
    3. повышающий преобразователь
    4. передний преобразователь

Ответы на вопросы с множественным выбором

  1. г
  2. (а и в)
  3. (а)
  4. (а и б)
  5. (г)
  6. (г)
  7. (б)
  8. (б)
  9. (а)
  10. (б)
  11. (в)
  12. (в)
  13. (б)
  14. (а)

Управление режимом напряжения и тока для генерации ШИМ-сигнала в импульсных регуляторах постоянного тока


Импульсные преобразователи постоянного напряжения («регуляторы») состоят из двух элементов: контроллера и силового каскада.Силовой каскад включает в себя переключающие элементы и преобразует входное напряжение в желаемое выходное. Контроллер контролирует операцию переключения для регулирования выходного напряжения. Оба соединены контуром обратной связи, который сравнивает фактическое выходное напряжение с желаемым выходным напряжением для получения напряжения ошибки.

Контроллер является ключом к стабильности и точности источника питания, и практически в каждой конструкции для регулирования используется метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Существует два основных метода генерации сигнала ШИМ: управление в режиме напряжения и управление в режиме тока.Сначала было управление в режиме напряжения, но его недостатки — такие как медленная реакция на изменения нагрузки и усиление контура, которое варьировалось в зависимости от входного напряжения — побудили инженеров разработать метод, основанный на альтернативном токе.

Сегодня инженеры могут выбирать из широкого спектра силовых модулей, используя любую технику управления. В этих продуктах используется технология, позволяющая преодолеть основные недостатки предыдущего поколения.

В этой статье описывается метод управления в режиме напряжения и тока для генерации ШИМ-сигнала в импульсных стабилизаторах напряжения и объясняется, где лучше всего подходит каждое приложение.

Управление в режиме напряжения

Разработчики, которым поручено построить источник питания, могут либо построить блок из дискретных компонентов (см. Статью TechZone «Регуляторы постоянного / постоянного напряжения : как выбрать между дискретной и модульной конструкцией »), отдельных компонентов контроллера и питания или питания. модули питания, объединяющие оба элемента в одну микросхему.

Но какой бы метод проектирования ни использовался, высока вероятность того, что регулирование будет использовать метод ШИМ (обычно) с фиксированной частотой.(Желательна постоянная частота переключения, поскольку она ограничивает электромагнитные помехи (EMI), создаваемые источником питания.)

В регуляторе, управляемом в режиме напряжения, сигнал ШИМ генерируется путем подачи управляющего напряжения (В C ) на один вход компаратора и пилообразного напряжения (В , линейное изменение ) (или «ШИМ-линейное изменение») фиксированной частоты. , генерируемый часами, в другой (рисунок 1).


Рисунок 1: ШИМ-генератор для импульсного регулятора напряжения. (Предоставлено: Texas Instruments)

Рабочий цикл сигнала ШИМ пропорционален управляющему напряжению и определяет процент времени, в течение которого коммутирующий элемент проводит, и, следовательно, в свою очередь, выходное напряжение (см. Статью TechZone « Использование ЧИМ для улучшения переключения постоянного / постоянного тока. КПД регулятора при малых нагрузках »).Управляющее напряжение получается из разницы между фактическим выходным напряжением и желаемым выходным напряжением (или опорным напряжением).

Коэффициент усиления модулятора Fm определяется как изменение управляющего напряжения, которое приводит к увеличению рабочего цикла от 0 до 100 процентов (F m = d / V C = 1 / V ramp ). 1

На рисунке 2 показаны стандартные блоки типичного импульсного стабилизатора. Силовой каскад состоит из переключателя, диода, катушки индуктивности, трансформатора (для изолированных конструкций) и входных / выходных конденсаторов.Этот каскад преобразует входное напряжение (VIN) в выходное напряжение (VO). Секция управления регулятора напряжения состоит из усилителя ошибки с опорным напряжением (равным желаемому выходу) на одном входе и выходом делителя напряжения на другом. Делитель напряжения питается от цепи обратной связи с выхода. Выход усилителя ошибки обеспечивает управляющее напряжение (V C или «напряжение ошибки»), которое формирует один вход для компаратора ШИМ. 2


Рисунок 2: Блок управления и силовой каскад управляюще-импульсного регулятора напряжения.(Предоставлено Microsemi)

К преимуществам управления в режиме напряжения относятся: одинарный контур обратной связи, упрощающий проектирование и анализ схем; использование пилообразной формы волны большой амплитуды, обеспечивающей хороший запас шума для процесса стабильной модуляции, и выходная мощность с низким импедансом, обеспечивающая лучшую перекрестную регулировку для источников с несколькими выходами.

Но у этой техники есть и заметные недостатки. Например, изменения нагрузки должны сначала восприниматься как изменение выходного сигнала, а затем корректироваться контуром обратной связи, что приводит к медленному отклику.Выходной фильтр усложняет компенсацию схемы, что может быть еще более затруднено из-за того, что коэффициент усиления контура изменяется в зависимости от входного напряжения.

Управление в токовом режиме

В начале 1980-х инженеры придумали метод альтернативного импульсного стабилизатора напряжения, который устраняет недостатки метода управления режимом напряжения. Этот метод, получивший название управления в режиме тока, получает линейное изменение ШИМ путем добавления второго контура, возвращающего ток катушки индуктивности.Этот сигнал обратной связи состоит из двух частей: переменного тока пульсаций и постоянного или среднего значения тока катушки индуктивности. Усиленный сигнал направляется на один вход компаратора ШИМ, в то время как напряжение ошибки формирует другой вход. Как и в случае метода управления в режиме напряжения, системные часы определяют частоту ШИМ-сигнала (рисунок 3).


Рисунок 3: Регулятор управления-коммутации токового режима. Здесь линейное изменение ШИМ генерируется из сигнала, полученного из тока выходной катушки индуктивности.(Любезно предоставлено Texas Instruments)

Управление в режиме тока решает проблему медленной реакции управления в режиме напряжения, поскольку ток катушки индуктивности возрастает с наклоном, определяемым разницей между входным и выходным напряжениями, и, следовательно, немедленно реагирует на изменения линейного напряжения или напряжения нагрузки. Еще одно преимущество состоит в том, что управление в режиме тока устраняет изменение коэффициента усиления контура с недостатком входного напряжения в способе управления в режиме напряжения.

Кроме того, поскольку в схеме управления в токовом режиме усилитель ошибки управляет выходным током, а не напряжением, влияние выходной катушки индуктивности на отклик схемы сводится к минимуму и упрощается компенсация.Схема также демонстрирует более высокий коэффициент усиления по сравнению с устройством управления в режиме напряжения.

Дополнительные преимущества управления в токовом режиме включают в себя встроенное ограничение тока от импульса к импульсу путем ограничения команды от усилителя ошибки и упрощенное распределение нагрузки, когда несколько блоков питания используются параллельно.

Какое-то время казалось, что управление режимом тока унаследовало управление режимом напряжения. Однако, несмотря на то, что на их разработку потребовалось время, инженеры обнаружили, что регуляторы управления в токовом режиме создают свои собственные проблемы при проектировании.

Главный недостаток состоит в том, что анализ схемы затруднен, поскольку топология регулятора теперь включает две петли обратной связи. Вторая сложность — нестабильность «внутреннего» контура управления (несущего сигнал тока катушки индуктивности) при скважности выше 50 процентов. Еще одна проблема возникает из-за того, что, поскольку контур управления является производным от выходного тока катушки индуктивности, резонансы от силового каскада могут вносить шум во внутренний контур управления. 3

Ограничение регулирующего регулятора текущего режима рабочим циклом менее 50 процентов накладывает серьезные ограничения на входное напряжение устройства.К счастью, проблему нестабильности можно решить, «добавив» небольшую компенсацию наклона во внутренний контур. Этот метод обеспечивает стабильную работу при всех значениях рабочего цикла ШИМ.

Компенсация наклона достигается путем вычитания пилообразного напряжения (работающего на тактовой частоте) из выходного сигнала усилителя ошибки. В качестве альтернативы, напряжение кривой компенсации можно добавить непосредственно к сигналу тока катушки индуктивности (рисунок 4).


Рисунок 4: Регулятор управления в токовом режиме с компенсацией наклона.(Любезно предоставлено Texas Instruments)

Математический анализ показывает, что для обеспечения стабильности токовой петли наклон кривой компенсации должен быть больше половины спада кривой тока. 4

В продаже имеется множество регулирующих регуляторов текущего режима. Microsemi, например, предлагает синхронный понижающий (понижающий) регулятор NX7102 с управлением в режиме тока. Чип может принимать входной диапазон от 4,75 до 18 В и предлагает регулируемый выход до 0.925 В. Максимальный выходной ток составляет 3 А, а пиковая эффективность составляет от 90 до 95 процентов в зависимости от входного напряжения.

Со своей стороны, Texas Instruments предлагает широкий спектр регулирующих регуляторов текущего режима. Одним из примеров является TPS63060, синхронный понижающий / повышающий («повышающий») стабилизатор 2,4 МГц, обеспечивающий выходное напряжение от 2,5 до 8 В (при токе до 1 А) от источника питания от 2,5 до 12 В. Устройство обеспечивает КПД до 93 процентов и предназначено для мобильных приложений, таких как портативные компьютеры и промышленное измерительное оборудование.

STMicroelectronics также поставляет ряд устройств управления токовым режимом, включая STBB2. Это синхронный понижающий / повышающий стабилизатор 2,5 МГц, обеспечивающий выходное напряжение 2,9 или 3,4 В при входном напряжении от 2,4 до 5,5 В. Устройство способно подавать до 800 мА при 90-процентной эффективности и поставляется в корпусе с шариковой решеткой (BGA).

Возрождение режима напряжения

При просмотре каталогов некоторых производителей кремний обнаруживается, что регуляторы напряжения никуда не делись.Причина этого в том, что основные недостатки устройств предыдущего поколения были устранены с помощью метода, называемого прямой связью по напряжению.

Прямая связь по напряжению достигается изменением наклона кривой линейного изменения ШИМ напряжением, пропорциональным входному напряжению. Это обеспечивает соответствующую корректирующую модуляцию рабочего цикла независимо от контура обратной связи.

Этот метод улучшает реакцию схемы на переходные процессы в линии и нагрузке, устраняя при этом чувствительность к наличию входного фильтра.Прямая связь по напряжению также стабилизирует усиление контура, так что оно больше не зависит от входного напряжения. Незначительным недостатком является некоторая сложность схемы, поскольку для определения входного напряжения необходим датчик.

Инженеры могут выбирать из широкого диапазона регуляторов напряжения от основных поставщиков. Например, Maxim предлагает в своем портфеле ряд устройств управления режимом напряжения, включая MAX5073. Этот импульсный стабилизатор представляет собой понижающее / повышающее устройство с частотой 2,2 МГц, работающее от 5.Питание от 5 до 23 В и выходное напряжение от 0,8 до 28 В. В понижающем режиме регулятор может выдавать до 2 А.

Аналогичным образом, Intersil предлагает ISL9110A, импульсный стабилизатор 2,5 МГц с управлением в режиме напряжения. Устройство работает в диапазоне входного напряжения от 1,8 до 5,5 В и обеспечивает выходное напряжение 3,3 В при токе до 1,2 А и 95-процентном КПД.

Со своей стороны, International Rectifier поставляет IR3891, понижающий стабилизатор с управлением по напряжению с широким входным диапазоном от 1 до 21 В и выходным диапазоном 0.От 5 до 18,06 В. Микросхема имеет диапазон частот переключения от 300 кГц до 1,5 МГц и может выдавать до 4 А. IR3891 имеет два выхода.

Выбор технологии

Практически все импульсные регуляторы напряжения используют ШИМ-управление для переключающих элементов. Сигнал PWM генерируется либо из управляющего напряжения (полученного путем вычитания выходного напряжения из опорного напряжения) в сочетании с пилообразной формой волны, работающей на тактовой частоте для регулятора режима напряжения, либо путем добавления второго контура, возвращающего ток катушки индуктивности. для типа текущего режима.Современные устройства в значительной степени преодолели основные недостатки старых конструкций за счет использования таких методов, как прямая связь по напряжению для схем управления напряжением и компенсация наклона для устройств с токовым режимом.

Результатом этих нововведений является то, что инженеры имеют широкий выбор обоих типов топологии. Импульсные регуляторы с управлением в режиме напряжения рекомендуются, когда возможны широкие входные линии или колебания выходной нагрузки, при малых нагрузках (когда крутизна кривой управления в режиме тока будет слишком малой для стабильной работы ШИМ), в шумных приложениях (когда шум от силового каскада, попадает в контур обратной связи управления в режиме тока), и когда требуются напряжения на нескольких выходах с хорошим перекрестным регулированием.

Устройства управления в токовом режиме рекомендуются для приложений, в которых на выходе источника питания присутствует большой ток или очень высокое напряжение; самый быстрый динамический отклик требуется на определенной частоте, колебания входного напряжения ограничены, а в приложениях, где необходимо минимизировать стоимость и количество компонентов.

Для получения дополнительной информации о деталях, обсуждаемых в этой статье, используйте ссылки для доступа к страницам с информацией о продуктах на веб-сайте Digi-Key.

Использованная литература:

  1. « Понимание и применение теории управления в режиме тока — Практическое руководство по проектированию для работы в непрерывном режиме проводимости с фиксированной частотой », Роберт Шихан, National Semiconductor, октябрь 2007 г.
  2. « Режим напряжения, режим тока (и гистерезисное управление) », Санджая Маниктала, Microsemi, TN-203, 2012.
  3. «Режим напряжения импульсного источника питания в сравнении с режимом тока », Роберт Маммано, Unitrode, DN-62, июнь 1994 г.
  4. « Моделирование, анализ и компенсация преобразователя режима тока », Texas Instruments, U-97, 1999.

Отказ от ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Импульсные источники питания — обзор

1.1 Тенденция развития систем силовой электроники — влияние на силовые устройства следующего поколения

В последние несколько десятилетий силовые устройства были основной технологией, позволяющей разрабатывать силовые преобразователи. С середины прошлого века до 1980-х годов (как показано на рис. 1.1) выпрямители, тиристоры, GTO и биполярные транзисторы внесли значительный вклад в создание силовых электронных преобразователей для управления потоком электрической энергии от источника к нагрузке. .В последующие два десятилетия, с 1980 по 2000 год, на рынке появились силовые устройства с МОП-управлением с превосходными электрическими характеристиками, которые заменили предыдущее поколение биполярных компонентов во многих приложениях. Их превосходное поведение в открытом состоянии, выдающиеся динамические характеристики, управляемость и характеристики короткого замыкания преобладали в качестве преимуществ при разработке систем силовой электроники. Это новое поколение силовых устройств основано на кремниевом материале, как и биполярные устройства в предыдущие десятилетия.Однако из-за тонко структурированной технологии этих устройств, размера элементов и высокой плотности ячеек возникла необходимость в производственных линиях, совместимых с ИС. Это был первый технологический прорыв в технологиях производства силовых устройств, и несколько малых и средних производителей полупроводников не смогли покрыть расходы на новые ИС-совместимые объекты. Эти новые типы устройств, такие как Power MOSFET (представленный на рынке в 1979 году) и IGBT (представленный в 1985 году), открыли новую область для разработок преобразователей мощности.В этой первой технологической вехе [1] (как показано на рис. 1.2), инициированной устройствами с МОП-управлением, такими как силовой MOSFET и IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), появилось несколько новых топологий схем, основанных на многоуровневых технологиях или технологиях чередования, а также новые стратегии управления были разработаны с целью создания высокодинамичных и высокоэффективных преобразователей энергии.

Рис. 1.1. Тенденции в области силовых полупроводниковых технологий: производительность → вывод на рынок → серийное производство; жизненный цикл технологии силовых устройств; возможна замена устройств на базе Si на устройства на базе WB.

Источник: ABB, ECPE (Л. Лоренц).

Рис. 1.2. Упрощенные технологические вехи для преобразователей энергии.

Источник: ETH Zürich (проф. Колар), семинар ECPE.

Однополярный силовой полевой МОП-транзистор с очень коротким временем переключения поднял частоту переключения до 100 кГц и произвел революцию в области импульсных источников питания (SMPS) в потребительских и вычислительных приложениях, а также в информационных и коммуникационных технологиях. Однако сопротивление этих силовых транзисторов в открытом состоянии очень сильно зависит от легирования и толщины дрейфовой области для переноса электронного тока между клеммами нагрузки и ограничивает допустимое эффективное напряжение до номинального напряжения ниже 600 В.В отличие от этого поведения, биполярный транзистор с МОП-управлением (IGBT) с его сильной модуляцией несущей во включенном состоянии практически неограничен по номинальному напряжению и произвел революцию во всех промышленных приложениях, таких как управление двигателями, системы ИБП, тяговые приводы в железные дороги, морские перевозки, электронные транспортные средства и т. д., а также технологии возобновляемых источников энергии, включая транспортировку и распределение энергии. Их выдающиеся электрические и тепловые характеристики наряду с легко управляемыми характеристиками делают их удобными для использования системными инженерами, так что всего за два-три десятилетия (как показано на рис.1.1), биполярные устройства «старого поколения» были заменены в большинстве областей применения. На основе этих технологических достижений стали очевидны основные движущие факторы будущего развития силовых электронных систем, которые были изложены в [2,3]:

Энергоэффективность → для защиты окружающей среды.

Плотность мощности → для уменьшения веса / объема.

Надежность → для достижения нулевого дефекта конструкции компонентов и систем.

Пассивные устройства → Чтобы использовать преимущества высокой частоты, необходимы новые материалы для магнетиков и электролитов.

Трехмерная интеграция → Технологии интеллектуальной упаковки и трехмерная системная интеграция (активные устройства, пассивные устройства и эффективные системы охлаждения) для миниатюризации системы.

Для удовлетворения этих требований (как показано на рис. 1.2) за последнее десятилетие с 2000 по 2010 год устройства с МОП-управлением были усовершенствованы в направлении более высокой частоты коммутации, большей прочности даже при повышенной рабочей температуре и выдающейся перегрузки и возможности короткого замыкания.Для разработки системы это был период перехода к цифровым технологиям с целью достижения большей гибкости на системном уровне, точного и высокоэффективного управления мощностью нагрузки, а также значительного сокращения системных компонентов. На уровне устройств было реализовано новое поколение «IGBT-транзисторов с полевым затвором» для дальнейшего сокращения потерь в открытом состоянии и динамических потерь, что повысило надежность устройства даже при более высокой плотности мощности и повышенной частоте коммутации. Униполярные устройства с их выдающимися характеристиками переключения были значительно улучшены за счет разработки принципа компенсации несущей [4].В области низкого напряжения U br ≤ 250 В основной принцип резкого снижения R ds (on) A — это компенсация избыточных носителей в области дрейфа. Для силового полевого МОП-транзистора высокого напряжения 300 В ≤ U br ≤ 900 В площадь указанного резистора в открытом состоянии может быть значительно уменьшена за счет реализации принципа сверхперехода, основанного на компенсации несущей во всем слое дрейфа. Такая структура позволяла увеличить легирование в области дрейфа примерно на порядок без потери блокирующей способности [4].Благодаря внедрению этой совершенно новой технологии устройства частота коммутации может быть увеличена до 1 МГц, что повысит удельную мощность и эффективность. MOSFET с суперпереходом заменил традиционную технологию MOSFET с высокими характеристиками и большим производственным объемом, как показано на рис. 1.1.

В текущем десятилетии (как показано на рис. 1.2) преобладает разработка сверхбыстрых переключающих устройств на основе материала WB (широкозонная запрещенная зона), которые имеют дополнительное преимущество одновременного повышения рабочей температуры.Это поколение силовых устройств очень близко подходит к идеальному переключателю: нулевые потери в открытом состоянии, нулевые потери при переключении, отсутствие управляющей мощности; теперь видна новая перспектива для реализации сверхвысокой плотности мощности на уровне устройства и системы.

Однако ограничения на частоту коммутации, с которыми мы сталкиваемся сегодня, связаны с пассивными устройствами, в основном с магнитными потерями (включая потери в обмотках катушек индуктивности, трансформаторов и фильтров, а также емкости). Высокие значения di / dt , запускаемые переключающими устройствами, создают всплески перенапряжения во всех индуктивностях рассеяния на уровне упаковки устройства и компоновке системы.Общие индукторы рассеяния в тракте возбуждения оказывают сильное влияние на характеристики переключения транзистора, скачки перенапряжения на оксидных слоях и на клеммах нагрузки, что может привести к возникновению динамических лавин. Кроме того, мы должны научиться решать проблемы электромагнитных помех, возникающие при быстром переключении.

Еще более критичными являются чрезвычайно высокие значения dv / dt , возникающие из-за короткого времени переключения, поскольку мы создаем протекание тока смещения во всех емкостях (внутренних и распределенных из-за схемы устройства), участвующих в переключении. форма волны. dv / dt оказывает влияние на соединительные кабели с нагрузкой, саму нагрузку и соединители между приводом силовых устройств и микроэлектроникой. Чтобы удовлетворить требования к плотности мощности, эффективности, надежности и компактной трехмерной интеграции, в следующий период разработки (как показано на рис. 1.2) особое внимание будет уделяться технологиям упаковки, пассивным устройствам, проблемам электромагнитных помех и способам их устранения. чрезвычайно высокие значения di / dt на уровне устройства и системы [5].

Основная причина, по которой эти сверхбыстрые коммутационные устройства на основе материала с широкой запрещенной зоной, заключаются в значительном увеличении плотности мощности и эффективности на уровне устройства и системы и повышении рабочей температуры без снижения прочности и надежности. В настоящее время устройства на основе SiC и GaN являются наиболее многообещающими полупроводниковыми материалами, как подробно объясняется далее в этой главе, для достижения этой цели. Хотя оба этих типа материалов хорошо известны для других электронных устройств (например,g., ВЧ-устройства и светодиоды) в течение долгого времени все еще существуют проблемы с качеством материала пластины, с конструкцией устройства (как управлять этим чрезвычайно высоким электрическим полем без создания новых дефектов устройства) и как справиться с этим с помощью одного матрицы меньшего размера по сравнению с Si-устройствами аналогичного номинала по своим электрическим и тепловым характеристикам. Позже в этой главе будут подробно рассмотрены характеристики материалов и характеристики устройства, включая тенденции развития.

Пока вопрос в том, насколько быстро эти отличные устройства заменят Si-компоненты текущего поколения.Необходимо учитывать несколько аспектов. С одной стороны, материалы на основе SiC и GaN более дороги в производстве по сравнению с материалом подложки Si, что приводит к более высокой стоимости устройства. С другой стороны, преобразователи, разработанные с использованием устройств SiC и GaN, достигают значительно более высокой эффективности (более низкие потери с прямым влиянием на меньшую потребность в охлаждении) и высокой плотности мощности (меньшие фильтры и устройства хранения), что напрямую влияет на общую стоимость материала. Одним из предварительных условий использования этого нового типа устройств является использование их выдающихся характеристик: более высокой скорости переключения и более высокой рабочей частоты.Основная проблема сейчас заключается в отсутствии пассивных (магнетиков, электролитов) компонентов, передовых технологий упаковки и схемотехники для работы с этими чрезвычайно крошечными матрицами с их характеристиками быстрого переключения на уровне преобразователя. Новые компаунды для технологий соединения микросхем, включая материалы, соответствующие CTE (коэффициент теплового расширения), с учетом, в частности, полупроводникового материала WB с его температурными характеристиками выше Tj> 300 ° C и меньшими требованиями к охлаждению и / или более высоким запасом надежности .Принимая во внимание все эти аспекты с сегодняшней точки зрения, потребуется много времени для замены Si-устройств текущего поколения, учитывая их высокий потенциал для дальнейшего существенного развития их характеристик (как показано на рис. 1.1). С другой стороны, в некоторых приложениях (например, мобильных приложениях в транспортных системах, источниках питания для ноутбуков и устройствах связи) существует большое давление с целью уменьшить размер и вес преобразователя мощности и повысить эффективность теперь, когда устройства на основе SiC и / или GaN уже используются в этих типах приложений.Кроме того, появляются новые приложения, в которых требуются эти выдающиеся характеристики.

За последние несколько десятилетий, начиная с появления устройств с МОП-управлением в начале 80-х годов, рынок силовых устройств значительно вырос. Тем временем силовые устройства достигли примерно 10% объема рынка полупроводников. Во многих приложениях силовые устройства являются ключевыми элементами силовых электронных систем, несмотря на то, что их стоимость во многих силовых электронных системах незначительна по сравнению с общей стоимостью системы, например, в системах транспортировки энергии, высокоскоростных поездах и т. Д.Улучшение их характеристик и увеличение функциональности (например, силовые устройства SMART) снижает стоимость системы и открывает возможности для новых областей применения, например, транспортных систем, включая инфраструктуру, технологии возобновляемых источников энергии, предприятия SMART (включая прогнозирующее определение старения и связанные с процессами параметры), энергосбережение в силовых электронных блоках управления и т. д. Основными тенденциями являются высокие частоты переключения, уменьшение или устранение громоздких ферритов и электролитов, а также модульные многоуровневые топологии для достижения высоковольтных возможностей даже с низковольтными силовыми транзисторами, многофазные топологии чтобы рекомендовать более высокие номинальные мощности с низкими паразитными индуктивностями в схеме схемы, а также топологии плавного переключения для более высокого КПД и снижения гармоник.

1.1.1 Тенденции развития силовых устройств на основе Si-материала

Несмотря на то, что силовые устройства с суперпереходом на полевых МОП-транзисторах и IGBT-транзисторы имеют долгую историю, потенциал их дальнейшего развития все еще существует, а кремний остается сильным конкурентом широкой запрещенной зоне. устройства, о чем будет сказано подробнее. Для всех устройств на основе Si, помимо разработки элементов меньшего размера для структур транзисторных ячеек, было проведено множество исследований по таким передовым процессам, как технология изготовления сверхтонких пластин 300 мм и их технологичности.

Для низковольтного силового полевого МОП-транзистора принцип компенсации заряда с использованием структуры ячеек с полевой пластиной был введен в начале прошлого десятилетия и постоянно совершенствовался от поколения к поколению. Основной принцип, лежащий в основе радикального R DS (on) A Уменьшение количества полевых МОП-транзисторов по сравнению с обычными силовыми МОП-транзисторами (как показано на рис. 1.3), заключается в компенсации доноров n-дрейфовой области [6 ]. Изолированный электрод глубокого истока, отделенный от области n-дрейфа толстым оксидным слоем, действует как пластина поля и обеспечивает подвижные заряды, необходимые для уравновешивания доноров области дрейфа в условиях блокировки.Эта геометрия демонстрирует почти постоянное вертикальное распределение поля и допускает повышенное легирование области дрейфа. Это устройство значительно снижает сопротивление в открытом состоянии. Однако для производства таких устройств пришлось преодолеть несколько технических проблем. Поскольку изоляция полевой пластины должна выдерживать полное напряжение блокировки истока и стока устройства на дне траншеи, толщину оксида в микродиапазоне необходимо тщательно регулировать. В процессе производства необходимо учитывать точную глубину и равномерность ширины траншеи, а также отличные параметры устройства и малое отклонение параметров, а также обращение с ультратонкой пластиной, несмотря на глубокие канавки и толстые слои оксида.Принимая во внимание все эти параметры (дизайн микросхемы, новые этапы процесса и технологичность изготовления тонких пластин), эти устройства демонстрируют чрезвычайно низкое качество резисторов в открытом состоянии, обладая выдающимися показателями качества за их динамические характеристики и простоту управления. По этим электрическим характеристикам новый тип силовых полевых МОП-транзисторов очень близок к GaN-устройствам. С точки зрения надежности (например, легкости вождения, перегрузки, лавинообразного движения и т. Д.) Этот транзистор превосходит современные GaN-транзисторы.Частота переключения подходит для всех основных приложений. Однако при работе на нескольких МГц (5 МГц ≤ фут ≤ 20 МГц) предпочтительнее полностью интегрированное системное решение (например, преобразователь постоянного тока в постоянный с боковыми устройствами на основе GaN). Принимая во внимание чрезвычайно низкий конденсатор на входе и выходе, другого решения нет.

Рис. 1.3. Тенденция развития низковольтных силовых полевых МОП-транзисторов: от горизонтальной ячеистой структуры к концепции полевой пластины.

Источник: Infineon Technologies.

Сегодня высоковольтные силовые полевые МОП-транзисторы в диапазоне напряжений 500 В ≤ В br ≤ 900 В и частот коммутации до 1 МГц реализованы в технологии суперпереходов [7,8].В устройствах с суперпереходом с вертикальным течением тока используется (как показано на рис. 1.4) дополнительный p-столбец, проходящий почти полностью вниз через область блокировки напряжения. Эта структура позволяет увеличить легирование в n-столбце примерно на один порядок без потери блокирующей способности; дополнительный заряд в n-столбце полностью компенсируется встречным зарядом в p-столбце. Следовательно, удельное сопротивление в открытом состоянии зависит только от способности достаточно точно компенсировать эти заряды и изготавливать структуру сверхперехода с еще меньшим шагом столбцов.Помимо этих сложных требований, у приложения есть дополнительные потребности, такие как лавинная способность и контроль скорости переключения, что привело к ряду новых решений, таких как p-образная конструкция и вертикальная структура. Полевые МОП-транзисторы с суперпереходом требуют более сложного технологического процесса. Экономический успех возможен только за счет значительного улучшения резистора в открытом состоянии, характеристик переключения и надежности устройства. Помимо уменьшенного резистора в открытом состоянии, еще одним преимуществом является меньшая входная и выходная емкость, что обеспечивает более быстрое переключение и более низкие динамические потери.

Рис. 1.4. Тенденции развития высоковольтных силовых полевых МОП-транзисторов: от традиционной структуры ячеек (угол рисунка слева) до структуры сверхмощного устройства (рисунок внизу справа). Уменьшение площади резистора в открытом состоянии SJ Device Development.

Источник: Infineon Technologies (Г. Дебой).

Непрерывное дальнейшее совершенствование в течение последних нескольких лет было направлено на снижение сопротивления в открытом состоянии для конкретных участков (как показано на рис. 1.4 в центральной части). Эти положительные результаты были достигнуты с использованием передовой полупроводниковой технологии для реализации более высоких n столбцов на площадь кристалла наряду с меньшими шагами ячеек.Конечно, при увеличении амплитуды тока вдоль n-столбцов создается область пространственного заряда, которая влияет на эффекты защемления тока, как следствие высокого падения напряжения в n-столбце. Однако здесь мы не обсуждаем «жесткий» физический предел; это просто вопрос дизайна микросхемы и достижений в развитии технологий. Физические пределы, приведенные в публикациях [9], не являются окончательными для дальнейшего развития устройств сверхперехода. Скорее вопрос в том, насколько точно контролируются возможности производства полупроводников.

Наконец, для технологии суперпереходов все еще есть большой потенциал для дальнейших инноваций и возможностей [10]. Принимая во внимание новые разработки для устройств с суперпереходом, все еще может наблюдаться дальнейшее видимое уменьшение резистора в открытом состоянии, а также улучшение коммутационных характеристик вместе с отличной лавинной способностью. Следовательно, эти технологии демонстрируют потенциал конкуренции с устройствами с широкой запрещенной зоной при тех же номинальных напряжениях.

1.1.1.1 МОП-управляемые устройства с модулированной несущей — например, IGBT

В дополнение к униполярным устройствам (например, силовым МОП-транзисторам с полевой пластиной, сверхпереходным транзисторам) во многих приложениях большой мощности выгодны устройства с биполярным режимом, управляемые МОП-схемами из-за к возможности создания электронно-дырочной плазмы в открытом состоянии, что приводит к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии. Сегодня IGBT покрывают диапазон напряжений от 600 В ≤ В до ≤ 6,5 кВ, номинальную мощность до 10 МВт и частоту коммутации до 100 кГц.БТИЗ имеют вертикальный ток, но биполярную проводимость, как показано на рис. 1.5. Эти устройства имеют вертикальный pn-переход и толстый слой n-легирования под ним. Если к этому pn-переходу приложить обратное смещение, образуется обедненный слой и сильное электрическое поле. Достижимая способность блокирующего напряжения зависит от толщины и концентрации легирования n-легированного слоя. Чтобы избежать этой толстой и дорогостоящей, но определяющей производительность эпитаксии n-слоя 60–120 мкм на подложке Si, в середине 1980-х годов была представлена ​​подходящая легированная кремниевая подложка, служащая в качестве необходимого n-слоя.После полной обработки устройства, в конечном итоге, необходимый тыловой эмиттер формируется только путем реализации и низкотемпературного отжига. Это было прорывом в создании очень стабильных (без какого-либо процесса уничтожения срока службы) устройств с высокой стойкостью к току короткого замыкания [11–13].

Рис. 1.5. Тенденции развития IGBT от обычных пробивных до непробитых и непроходных до TRENCHSTOP и микропроцессорных канавок (три структуры ячеек справа).

Источник: Infineon Technologies.

Основной проблемой, стоящей перед новым типом IGBT, является обработка очень тонких пластин. Для низковольтных IGBT ( В, или ≤ 400 В) толщина пластины уменьшается почти до 50 мкм. Эти меры приводят к чрезвычайно низким потерям в открытом состоянии и коммутации. Важными препятствиями на пути к успеху разработки этого устройства были коммутационные потери и явление звона.

Улучшенные профили допирования и оптимизированные упаковочные решения помогли преодолеть эти препятствия.Наряду с передовыми технологиями обработки наблюдалось постоянное увеличение плотности клеток, как показано на рис. 1.6. Меньшие элементы мезы позволяют реализовать очень высокую плотность ячеек траншеи. Основным преимуществом такой высокой плотности ячеек канавки является накопление высокой концентрации носителей непосредственно под ячейками канавки, что приводит к низкому напряжению в открытом состоянии для IGBT. С помощью этой тонко структурированной конструкции траншейного элемента также можно оптимизировать конденсатор обратной связи и соотношение между емкостями коллекторного затвора и коллектора-эмиттера, которые отвечают за динамические характеристики.Реализация небольших мезаплощадок является выгодной, поскольку электронная / дырочная плазма уже отклоняется при малых номинальных значениях обратного напряжения, что существенно для уменьшения потерь при выключении. Другие тенденции развития IGBT смещаются в сторону устройств с обратной проводимостью, которые сегодня используются для резонансных приложений. Для приложений обратной проводки и переключения все еще ведутся разработки. Другая область исследований нацелена на обратную блокировку IGBT, что дает преимущества в многоуровневых технологиях.

Рис. 1.6. Наличие диаметров полупроводниковых пластин для изготовления устройств из кремния, карбида кремния и нитрида галлия.

Сегодня IGBT охватывают широкую область применения, такую ​​как силовые электронные преобразователи для управления двигателями, системы ИБП, FACTS, транспортные системы, технологии возобновляемых источников энергии и т. Д.

1.1.2 Обзор и перспективы

Что касается силовых полупроводниковых устройств на основе кремниевого материала (например, силовые полевые МОП-транзисторы, сверхпереходные транзисторы, IGBT, быстрые выпрямители и т. д.), есть еще огромный потенциал для дальнейшего развития. Реализуя все идеи различных групп НИОКР в реальных продуктах во многих приложениях, устройства Si станут сильным конкурентом на рынке компонентов с широкой запрещенной зоной и будут оставаться таковыми в течение долгого времени. Общей тенденцией развития является уменьшение размера кристалла в пользу более низких потерь в открытом состоянии и динамических потерь, повышение рабочей температуры, интеграция функций датчиков для достижения высоких характеристик самозащиты и получения информации о параметрах, связанных со старением, повышение эффективности охлаждения и поддерживать или повышать отличную прочность и надежность этих устройств.Особой задачей будущего является разработка передовых технологий соединения микросхем, новой керамики для изоляции и превосходных тепловых характеристик, соответствующих материалов для покрытия микросхем, пластиков и материалов выводной рамки, соответствующих коэффициенту теплового расширения, особенно для корпусов большой мощности, с целью повышения рабочая температура выше 200 ° C. Настоятельно требуется усовершенствованная конструкция упаковки для устранения паразитных факторов (например, индуктивности рассеяния и распределенных емкостей) для обеспечения высоких значений di / dt и dv / dt и одновременного повышения показателей надежности, в частности числа циклов мощности и температуры. .Для успешного внедрения устройств с широкой запрещенной зоной требуется много новаторских работ в области высоких рабочих температур, высокой надежности и низкого уровня паразитных характеристик.

Чтобы использовать эти сверхбыстрые коммутационные устройства, которые достигают высокого диапазона МГц с чрезвычайно маленьким размером чипа и передовыми концепциями охлаждения, новыми материалами для пассивных компонентов и интеллектуальными концепциями для общей системной интеграции (3D-интеграция), необходимо, чтобы мы считали активными устройства, пассивные компоненты, системы охлаждения и соответствующие технологии схем.

Для приложений с низким энергопотреблением (преобразователи постоянного тока в постоянный) тенденция смещается в сторону работы на частоте МГц с полевыми полевыми полевыми МОП-транзисторами выше 5 МГц с устройствами на основе GaN [14,15]. Необходимо разработать совершенно новый подход к проектированию всей системы. Для преобразователей мощности, работающих от сети 220 В, основными соображениями, связанными с технологией привода, являются плотность мощности и эффективность. В этих приложениях сверхпереходный транзистор (с учетом тенденций их будущего развития) останется привлекательным устройством.

Однако в некоторых схемных технологиях, где требуется мертвое время, поведение диодов в обратном восстановлении, мощность возбуждения или частота переключения выше 1 МГц, устройства SiC или GaN демонстрируют значительные преимущества.

При номинальном напряжении от 110 до 440 В (в основном используется в жилых и офисных помещениях, а также для автоматизации производства) новые перспективы открываются с сетью постоянного тока. Источник питания постоянного тока потенциально имеет несколько преимуществ в повышении эффективности, минимизации оборудования и снижении затрат по сравнению с исторически сложившейся инфраструктурой питания переменного напряжения.Однако есть несколько аспектов, которые необходимо изучить подробно, например, управление сетью, стабильность сети и способы устранения сбоев, возникающих из-за одной проблемы [16].

Очень важной областью в будущем развитии преобразователей мощности являются модульные многоуровневые и многофазные / чередующиеся топологии. Приоритезация топологий чередования для увеличения номинальной мощности работает в сочетании с выгодной способностью модульных многоуровневых топологий расширяться до приложений среднего / высокого напряжения с переключаемыми устройствами питания.Модульные многоуровневые топологии имеют много преимуществ при проектировании систем высокой мощности, таких как устранение больших пассивных фильтров и громоздких трансформаторов, простое устранение неисправностей и т. Д. Анализ тенденций развития силовых полупроводников показывает, что сочетание кремниевых и SiC-устройств открывает потенциальные возможности. для существенных улучшений в следующем десятилетии [17–19].

В сегменте средней и высокой мощности появляется много новых и очень привлекательных приложений (например, технологии возобновляемых источников энергии, включая всю инфраструктуру, железнодорожный транспорт, самолет, электронную мобильность, медицинское оборудование и т. Д.) В этих областях применения требуется дальнейшее развитие IGBT и устройств на основе SiC в качестве ключевых технологий.

Что такое импульсный регулятор?

Что такое импульсный регулятор?

1. Основная роль

Импульсный регулятор (преобразователь DC-DC) — регулятор (стабилизированный источник питания). Импульсный регулятор может преобразовывать входное напряжение постоянного тока (DC) в желаемое напряжение постоянного тока (DC).
В электронном или другом устройстве импульсный стабилизатор выполняет роль преобразования напряжения от батареи или другого источника питания в напряжения, необходимые для последующих систем.

Как показано на рисунке ниже, импульсный стабилизатор может создавать выходное напряжение (V OUT ), которое выше (повышающее, повышающее), более низкое (понижающее, понижающее) или имеющее полярность, отличную от входной. напряжение (В IN ).

2. Типы регуляторов переключения

Импульсный регулятор — это регулятор (стабилизированный источник питания), и существуют следующие типы импульсных регуляторов.

Регулятор
(стабилизированный источник питания)
Импульсный регулятор

(DC-DC преобразователь)
Изолированный импульсный регулятор
Неизолированный импульсный регулятор
Линейный регулятор
Шунтирующий регулятор
Регулятор LDO

В этой статье дается подробное объяснение функций и работы «неизолированных импульсных регуляторов».”

В неизолированных импульсных регуляторах

также используются следующие системы и режимы работы.

Щелкните термин, чтобы узнать больше.

3. Характеристики регулятора переключения

Ниже приводится описание характеристик неизолированного импульсного регулятора.

Высокая эффективность

Посредством включения и выключения переключающего элемента импульсный регулятор обеспечивает высокоэффективное преобразование электроэнергии, поскольку он подает необходимое количество электроэнергии только при необходимости.

Линейный регулятор — это другой тип регулятора (стабилизированный источник питания), но поскольку он рассеивает любые излишки тепла в процессе преобразования напряжения между V IN и V OUT , он не так эффективен, как импульсный стабилизатор.

Самый простой способ объяснить, как импульсный стабилизатор может эффективно преобразовывать напряжение, — это сравнить его с линейным стабилизатором.

Например, если входное напряжение (V IN ) составляет 5,0 В, выходное напряжение (V OUT ) равно 2.5 В и ток нагрузки (I OUT ) 0,1 А,

В линейном регуляторе
Входная мощность = Входное напряжение × Ток нагрузки
= 5,0 В × 0,1 А
= 0,5 Вт
Выходная мощность = Выходное напряжение × Ток нагрузки
= 2,5 В × 0,1 А
= 0,25 Вт
Поскольку эффективность = Выход мощность ÷ Входная мощность, КПД линейного регулятора 50%.

Импульсный регулятор, однако, управляет периодом подачи входного напряжения путем включения и выключения переключающего элемента, так что V OUT становится равным 2.5В. Это время подачи входного напряжения

В ВЫХ В ВХОД = 2,5 В 5,0 В = 1 2

Отсюда видно, что напряжение подается на полпериода. Точно так же, если вы попытаетесь получить эффективность от входной и выходной мощности, мы получим следующее:

Входная мощность = входное напряжение × ток нагрузки × 1 2
= 5,0 В × 0,1 А × 1 2
= 0,25 Вт

Входная мощность = Выходное напряжение × ток нагрузки
= 2.5 В × 0,1 А
= 0,25 Вт

Рассчитывая КПД по приведенному выше уравнению: КПД = Выходная мощность ÷ Входная мощность, мы получаем значение 100%. Вот почему импульсный регулятор обеспечивает высокий КПД.
* Поскольку есть реальные потери, истинная цифра составляет около 90%.

Шум

Операции включения / выключения переключающего элемента в импульсном стабилизаторе вызывают внезапные изменения напряжения и тока, а также паразитные компоненты, которые вызывают звон, которые вносят шум в выходное напряжение.

Использование соответствующей разводки платы эффективно снижает уровень шума. Например, оптимизация размещения конденсатора и катушки индуктивности и / или проводки. Для получения дополнительной информации о механизме генерации шума (звонка) и о том, как им управлять, обратитесь к примечанию по применению «Меры противодействия шумам понижающего регулятора».

Сравнение характеристик импульсного регулятора и линейного регулятора
Регулятор переключения Линейный регулятор
Система преобразования выходного напряжения Понижение, повышение, повышение / понижение, инверсия Только понижающий; V OUT должно быть меньше V IN
КПД Высокое (незначительное тепловыделение) Сравнительно низкое (сильное тепловыделение)
Низкое, когда разница между входным и выходным напряжением велика
Выходной ток Большой (высокий КПД означает большой ток) Малый
Шум Большой Малый
Пульсации на выходе Настоящее время Нет
Необходимые внешние компоненты Много
C IN , C OUT , L, (SBD)
Несколько
C IN , C OUT

[PDF] ГЛАВА 5: РЕГУЛИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

1 HAPTE 5: EGUATE POWE UPPE Стабилизированный источник питания может быть построен с использованием простого стабилитрона в качестве регулятора напряжения.когда-нибудь …

ГЛАВА 5: РЕГУЛИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Стабилизированный источник питания может быть построен с использованием простого стабилитрона в качестве регулятора напряжения. Напряжение обратного пробоя стабилитрона используется для поддержания постоянного выходного напряжения при определенных условиях нагрузки. Для улучшения регулирования напряжения в регуляторе используется конфигурация с отрицательной обратной связью. В источниках питания с более высоким КПД используются импульсные регуляторы, в которых используются устройства быстрого переключения. Качество источника питания зависит от его регулирования нагрузки, регулирования линии и выходного сопротивления.

I.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИТАНИЯ 1. Регулировка нагрузки

Регулировка нагрузки показывает, насколько изменяется напряжение нагрузки при изменении тока нагрузки. Регулировка нагрузки определяется как: VL

Регулировка нагрузки = где

VNL — VFL 100% VFL

VNL = напряжение нагрузки при токе холостого хода (IL = 0) VFL = напряжение нагрузки при токе полной нагрузки IL = ILmax)

VNL VFL INL

IL

Чем меньше регулировка нагрузки, тем лучше питание.Хорошо регулируемый источник питания может иметь регулировку нагрузки менее 1% (т. Е. Напряжение нагрузки изменяется менее чем на 1% во всем диапазоне тока нагрузки). 2. Регулировка линии Любое изменение линейного напряжения за пределы номинального значения (например, 120 В переменного тока) повлияет на работу источника питания. Регулировка линии определяется как:

, где

В — VLL 100% Регулировка линии = HL VLL VHL = напряжение нагрузки с линией высокого уровня VLL = напряжение нагрузки с линией низкого уровня

Чем меньше регулировка линии, тем лучше источник питания.Хорошо регулируемый источник питания может иметь линейное регулирование менее 0,1%. 3. Выходное сопротивление Выходное сопротивление источника питания определяет регулировку нагрузки. Если источник питания имеет низкое выходное сопротивление, его регулировка нагрузки также будет низкой по соотношению: EE323 — Регулируемый источник питания Глава 24 — Malvino

107

R TH =

VNL — VFL I FL

Регулировка нагрузки =

, где

R TH 100% RL (мин.)

RTH = выходное сопротивление источника питания IFL = ток полной нагрузки (возникает при минимальном сопротивлении нагрузки) RL (мин.) = Минимальное сопротивление нагрузки

II.

РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Линейное регулирование и регулировка нагрузки нерегулируемого источника питания слишком велики для большинства приложений. Регулировки можно улучшить, используя регулятор напряжения. В линейном регуляторе напряжения используется устройство, работающее в линейной области, для поддержания постоянного напряжения нагрузки. Шунтирующие регуляторы напряжения имеют регулирующее устройство, подключенное параллельно нагрузке. Некоторые из регуляторов шунта показаны ниже.

Vin

RS

VZ

IS

IZ

Vin

Vout = VZ

Vout IL

RL

Vout VZ

RL

9000 Vout RS

IZ = IS — IL

стабилитрон RS

IS

IS =

IC

RL IL

Vout = VZ + VBE IS =

Vin — Vout RS

IL =

Vout RL IC = IS — IL

Улучшенный стабилизатор напряжения

EE323- Регулируемый источник питания Глава 24 — Malvino

108

IS Vin

Vout RS

Vout ≅

R2

R3

Vout =

V — вход RS

IL RL

VIL = выход RL

R1

VZ

R1 + R 2 (VZ + VBE) R1

IC ≈ IS — IL

Регулятор высокого выходного напряжения

IS

Vo ut RS

R2

R3 + _ VZ

R1

IL RL

Vout ≅

R1 + R 2 VZ R1

IS =

Vin — Vout RS

IL =

IC = IS — IL

Улучшенные правила

Одним из преимуществ шунтирующих регуляторов является то, что они имеют встроенную защиту от короткого замыкания.Если есть короткое замыкание на клеммах нагрузки, ни один из компонентов регулятора не будет поврежден, все, что происходит, — это то, что входной ток увеличивается до IS. Регулятор имеет КПД:

Pout 100% Pin. Шунтирующие регуляторы напряжения имеют низкий КПД из-за потери мощности компонентами регулятора Preg, и большая часть этой мощности рассеивается через последовательный резистор RS. Этот тип регулятора используется в приложениях, где эффективность не важна. К тому же этот регулятор очень простой.Preg = Pin — Pout Efficiency =

Пример: 24-1, 24-2, 24-3 (стр. 914) EE323- Регулируемый источник питания Глава 24 — Malvino

109

III.

РЕГУЛЯТОРЫ СЕРИИ

По сравнению с шунтирующими регуляторами напряжения, регуляторы серии имеют более высокий КПД (50% 70%), довольно просты в конструкции и достаточно хороши для приложений с малой нагрузкой (

Сравнение технологий регулирования напряжения

| Superior Electric

Типы технологий регулирования напряжения

Система переключения ответвлений

Технология переключения ответвлений — наиболее распространенное решение для электронного регулирования напряжения.Эта форма регулирования напряжения включает в себя систему ответвлений, в которых все, кроме одного, «выключены», направляя ток, чтобы течь только через один ответвитель за раз. Системы переключения ответвлений устанавливаются на обмотках высокого напряжения трансформаторов из-за низкого тока в этой секции. По всей системе ответвители будут включаться и выключаться для увеличения или уменьшения вторичного напряжения с целью регулирования выходного напряжения трансформатора.

Системы переключения ответвлений

предлагают несколько функций, которые позволяют высокопроизводительным приложениям работать должным образом.Низкое сопротивление требуется в высокопроизводительных приложениях, чтобы цепь могла выдерживать нагрузку. Переключение ответвлений также обеспечивает низкий уровень гармонических искажений. Повышенные гармонические искажения могут вызвать перегрузки, вибрацию и преждевременное старение трансформаторов, а также повышение уровня шума. Эти и другие особенности позволяют системам переключения ответвлений обеспечивать типичный КПД 99%, чего не дает большинство других технологий регулирования напряжения.

Однако система переключения ответвлений имеет недостаток по сравнению с другими технологиями в том, что она не обеспечивает 1% точности, всех коэффициентов мощности нагрузки или полной модульности.

Трансформатор постоянного напряжения

Трансформатор постоянного напряжения (CVT) очень надежен в нейтрализации скачков напряжения и электрических помех. Этот тип технологии регулирования напряжения обеспечивает прочный барьер между колебаниями напряжения и основным источником электропитания устройства.

По сравнению с другими технологиями регулирования напряжения, преимущество CVT состоит в том, что он предлагает смещенный входной диапазон. Хотя вариатор не предлагает многие из функций, упомянутых в этой статье, важно упомянуть смещенный входной диапазон, потому что линейное напряжение уменьшается чаще, чем увеличивается.Следовательно, диапазон входного напряжения должен быть широким и смещенным для более низкой коррекции, а не для высокой коррекции. Сдвиг входного диапазона также позволяет автоматическому стабилизатору напряжения быть более настраиваемым на все понижение или повышение, обеспечивая максимальную коррекцию напряжения для высокопроизводительных приложений.

Реактор насыщения

Насыщаемые реакторы посылают постоянный электрический ток для намеренного насыщения магнитного сердечника индуктора, вызывая резкое падение индуктивности реактора.Этот тип технологии регулирования напряжения контролирует поток переменного тока, необходимый для управления нагрузками, такими как двигатели, печи и осветительное оборудование. Насыщаемые реакторы могут работать в средах, которые могут быть вредными для других технологий регулирования напряжения из-за высоких температур или нечистых условий.

Основным преимуществом реактора с насыщением по сравнению с другими технологиями регулирования напряжения является точность 1%. Отсутствие движущихся частей в насыщающемся реакторе позволяет ему быть более надежным, чем другие технологии.Это большое преимущество, учитывая, что конечной целью регулятора напряжения является достижение точных уровней напряжения.

Недостатки насыщаемых реакторов включают более медленную реакцию, высокое выходное сопротивление, которое дает высокие искажения при нелинейных нагрузках, таких как приводы с регулируемой скоростью. Этот тип регулирования напряжения не идеален для таких приложений, как запуск двигателя, где часто возникают скачки тока.

Переменный трансформатор с понижающим повышением

Переменные трансформаторы с понижающим повышением используются для регулирования напряжения, подаваемого на оборудование переменного тока.

Регулируемый трансформатор с понижающим повышением с очень низким импедансом и гармоническими искажениями обеспечивает точность 1%. Этот тип технологии регулирования напряжения также имеет преимущество при всех факторах мощности нагрузки. Следовательно, он лучше оборудован для удовлетворения потребностей в электроэнергии высокопроизводительных приложений.

Подобно технологии CVT, упомянутой выше, регулируемый трансформатор с понижающим повышением предлагает некоторый сдвиг входного диапазона, что является преимуществом по сравнению с технологиями регулирования напряжения без этой функции.

Тем не менее, регулируемый трансформатор с понижающим повышением не обеспечивает операторам полной понижающей / полной функциональности, полной модульности или 99% типичного КПД, присущего некоторым другим технологиям регулирования напряжения. Необходимы ли эти функции для вашего приложения, полностью зависит от ваших уникальных требований.

Индукционная система

Регулировка напряжения в виде индукционной системы обеспечивает плавно регулируемое выходное напряжение для приложений в электротехнических лабораториях.

Индукционная система предлагает операторам преимущества точности 1% и всех коэффициентов мощности нагрузки. По сравнению с другими регуляторами, индукционные системы хорошо регулируют напряжение в рабочих условиях. Этот тип регулирования напряжения разработан для конкретных приложений, где не требуются такие функции, как смещенный диапазон входного сигнала, полностью понижающий / полностью повышающий режимы, очень низкое сопротивление или типичный КПД 99%.

Автоматические регуляторы напряжения Stabaline серии

WHR

Автоматические регуляторы напряжения служат для автоматического поддержания постоянного напряжения питания чувствительного электрического оборудования, даже когда входное напряжение и нагрузка системы сильно различаются.

Автоматические регуляторы напряжения — простое решение для контроля колебаний напряжения в сети. Существует несколько причин, по которым напряжение в сети может изменяться, в том числе плохие условия в линии, падение напряжения в линии, вызванное нагрузкой, и постоянно меняющиеся требования к мощности нагрузки. Одним из наиболее распространенных признаков колебания напряжения в сети является мерцание или тусклое освещение, но в тяжелых случаях это также может вызвать поражение электрическим током.

Избегайте повреждений, повреждений и неисправностей, вызванных колебаниями напряжения в сети, установив автоматический регулятор напряжения на ваше чувствительное электронное оборудование.Обычно автоматические регуляторы напряжения устанавливаются между источником питания и нагрузкой для поддержания постоянного напряжения на нагрузке, защиты чувствительных нагрузок от скачков / скачков напряжения и балансировки фазных напряжений.

Автоматический трансформатор напряжения Stabaline серии WHR предлагает важные для операторов функции, в том числе точность 1%, смещенный входной диапазон, полностью понижающий / полностью повышающий режим, очень низкое сопротивление, низкое гармоническое искажение, все коэффициенты мощности нагрузки, полную модульность и типичный КПД 99%. .

Можно избежать простоя оборудования, серьезного отказа оборудования, повреждения программного обеспечения, сокращения срока службы ламп и низкого качества сигнала.Укажите устройство регулирования напряжения, которое должным образом соответствует требованиям вашего приложения.

Как работают регуляторы напряжения, различные типы и области применения

Что такое регулятор напряжения

Регулятор напряжения — это электрическое устройство, единственное назначение которого — поддерживать постоянное выходное напряжение. Он обеспечивает желаемое выходное напряжение независимо от любых изменений входного напряжения или условий нагрузки. Электронные схемы зависят от регуляторов напряжения, поскольку они требуют стабильного напряжения питания, чтобы избежать повреждений.

Как это работает?

В регуляторе напряжения используется принцип системы управления с обратной связью. Он основан на контурах управления с отрицательной обратной связью.

Как видите, сигнал опорного напряжения подается на схему компаратора вместе с сигналом обратной связи от контроллера. Схема компаратора сравнивает оба значения и отправляет сигнал ошибки в контроллер. Контроллер регулирует выходное напряжение с помощью сигнала ошибки от компаратора.

Типы регуляторов напряжения

Во всем мире регуляторы напряжения являются наиболее распространенным электрическим компонентом в любой машине или устройстве. Существует два основных типа регуляторов напряжения:

Линейные регуляторы

Линейный регулятор напряжения работает как делитель напряжения. Сопротивление линейного регулятора зависит от подключенной нагрузки и входного напряжения. Следовательно, он может подавать сигнал постоянного напряжения.

Преимущества и недостатки

Линейные регуляторы имеют множество преимуществ, например, они обеспечивают низкие пульсации напряжения, что означает меньшие колебания сигнала выходного напряжения. У него быстрое время отклика. Кроме того, он имеет низкие электромагнитные помехи и меньше шума.

Эффективность линейного регулятора напряжения низкая, и он рассеивает много тепла, поэтому необходим радиатор. Также требуется больше места. Одним из основных недостатков является то, что выходное напряжение не может превышать входное.

Типы линейных регуляторов напряжения

Шунтирующие регуляторы

Шунтирующий регулятор используется для цепей с низким энергопотреблением. Он работает, направляя ток от нагрузки и посылая его в землю. Он обеспечивает путь от входного напряжения до переменного резистора, подключенного к земле. Он имеет очень низкий КПД, но, поскольку потери тока имеют очень низкое значение, им пренебрегают.

Приложения
  • Используется для поглощения тока (цепи стока)
  • Усилители
  • Источники питания напряжения
  • Электронные схемы, требующие точного опорного напряжения

Регуляторы серии

Работа последовательного регулятора напряжения зависит от переменной составляющей, связанной с нагрузкой.Когда сопротивление переменного компонента изменяется, падение напряжения на компоненте также изменяется. При использовании этого метода напряжение на нагрузке остается прежним.

Одним из основных преимуществ является то, что, поскольку переменная составляющая и нагрузка подключены последовательно, ток, протекающий через них, одинаков. Таким образом, нагрузка эффективно использует ток. Что делает его более эффективным, чем шунтирующий регулятор.

Импульсные регуляторы напряжения

Импульсные регуляторы напряжения состоят из последовательного устройства, которое многократно включается и выключается с высокой частотой.Рабочий цикл используется для управления количеством заряда, подаваемого на нагрузку. Рабочий цикл контролируется системой обратной связи, которая очень похожа на ту, что используется в линейном регуляторе. Импульсные регуляторы имеют высокий КПД, потому что нагрузка либо включена, либо выключена, что означает, что она не рассеивает энергию, когда она выключена.

Импульсный стабилизатор превосходит линейный регулятор по выходному напряжению. Потому что он может подавать сигнал выходного напряжения, который может быть больше входного.Кроме того, он может даже генерировать сигнал напряжения противоположной полярности.

Типы импульсных регуляторов
  • Повышение (Boost)
  • Шаг вниз (бак)
  • Шаг вверх / вниз (Boost / Buck)

Повышающие регуляторы

Также известные как повышающие стабилизаторы, повышающие регуляторы генерируют более высокий сигнал выходного напряжения за счет увеличения сигнала входного напряжения. Этот тип регулятора чаще всего используется для питания нескольких светодиодов.

Понижающие регуляторы Понижающие регуляторы

также называют понижающими регуляторами. Они выдают более низкий сигнал регулируемого выходного напряжения из более высокого нерегулируемого сигнала входного напряжения.

повышающие / понижающие регуляторы

Назначение этого регулятора — увеличить, уменьшить или инвертировать сигнал напряжения. Более того, ее еще называют схемой инвертора напряжения. Противоположная полярность достигается прямым и обратным смещением диода.Во время отключения схема заряжает конденсатор, а когда конденсатор полностью заряжен, он выдает выходной сигнал противоположной полярности. КПД такого регулятора напряжения очень высок.

Транзисторные регуляторы напряжения Стабилитрон

имеет режим, благодаря которому он может действовать как регулятор напряжения. Этот режим известен как операция обратного напряжения пробоя. В этом режиме стабилитрон поддерживает постоянный выходной сигнал постоянного напряжения, в то время как сигнал пульсации переменного напряжения полностью блокируется.

Применение регуляторов напряжения

Существует множество применений регуляторов напряжения. Один из самых распространенных примеров — мобильное зарядное устройство. Адаптер питается от сети переменного тока. Однако сигнал выходного напряжения является регулируемым сигналом постоянного тока.

Каждый блок питания в мире использует регулятор напряжения для обеспечения желаемого выходного напряжения. На основе этой концепции работают компьютеры, телевизоры, ноутбуки и всевозможные устройства.

Для работы небольших электронных схем используются регуляторы. Даже малейшее колебание сигнала напряжения может повредить компоненты схемы, такие как микросхемы.

Когда дело доходит до систем выработки электроэнергии, регуляторы напряжения играют важную роль в их работе. Солнечная электростанция вырабатывает электричество в зависимости от интенсивности солнечного света. Для обеспечения постоянного регулируемого выходного сигнала требуется регулятор.

Узнайте больше в нашем блоге

.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *