Принцип работы у импульсного блока питания — схема, плюсы, минусы

Что это такое

Упрощенный трансформаторный блок питания можно представить в виде схемы, состоящей из самого трансформатора, выпрямителя, фильтра сглаживания параметров выходного напряжения и стабилизатора. Такие устройства имеют довольно простую схему, недорогие и обеспечивают низкий уровень шума в выходном сигнале.

Но у них есть серьезные конструктивные недостатки — большой вес и невысокий КПД. Значительная часть энергии преобразуется в тепло, поэтому проблема перегрева таких устройств, особенно мощных, является одной из самых актуальных.

Даже принцип работы импульсных источников питания для новичков можно объяснить довольно просто: он тоже основан на использовании трансформатора, но работает на очень высоких частотах, порядка 1-100 кГц и имеет гораздо меньшие габариты и масса. Это, в свою очередь, упрощает удаление тепла. Функция фильтрации / стабилизации выходного напряжения упрощается, поскольку для этой задачи используются конденсаторы небольшой емкости.

Но у силовых цепей инверторов есть и недостатки: сложные схемы, чувствительность к электромагнитным помехам. Что касается стоимости, то она вполне сопоставима с трансформаторными устройствами.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30… 35 кВ при токе нагрузки до 1 мА) для питания электрофлювиальной люстры (люстры А.Л. Чижевского) разработан источник постоянного тока на базе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.
Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напряжения на диодном мосту VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 вместе с трансформатором Т1 преобразует выпрямленное прямое сетевое напряжение в высокочастотное импульсное напряжение (30… 50 кГц.
Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхему DA1, а пусковая цепь R2, C2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, C3 и R4, C4 задают частоту генератора. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полупериода генерируемых импульсов. Выходное напряжение увеличивается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напряжения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах C7 — C12. Выпрямленное напряжение подается на нагрузку через ограничивающий резистор R5.
Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее напряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 подбираются в диапазоне 0,022… 0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73 -17). Конденсаторы умножительные С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Его можно заменить конденсаторами типа К15-4, К73-4, ПОВ и другими на рабочее напряжение 10кВ и выше.

Высоковольтные диоды ВД2 — ВД7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами МЛТ-2 по 10 МОм каждый.

В качестве трансформатора используется трансформатор ТВ-линии, например ТВС-110ЛА. Обмотку ВН оставляют, остальные снимают, а на их место вставляют новые. Обмотки L1, L3 содержат по 7 витков провода PEL 0,2 мм, а обмотка L2 содержит 90 витков того же провода.
Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включать в «минусовый» провод, который подводится к люстре. Этот провод должен иметь изоляцию VIEV.

Обратноходовой импульсный источник питания

Блок питания для шуруповерта на 12в своими руками

Это один из видов импульсных источников питания с гальванической развязкой как первичных, так и вторичных цепей. Именно этот тип преобразователя был немедленно изобретен, запатентован в 1851 году, а его улучшенная версия использовалась в системах зажигания, а также в телевизорах и мониторах с линейной разверткой для подачи высокого напряжения на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого источника питания также является трансформатором или индуктивностью. В его работе два этапа:

1. Накопление электроэнергии из сети или другого источника;
2. Вывод накопленной энергии во вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной цепи появляется ток. Роль размыкающего переключателя часто выполнял транзистор. Чтобы узнать параметры которых необходимо воспользоваться справочником, управление этим транзистором очень часто осуществляется полевым эффектом за счет ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, уже прошедшего стадию выпрямления, в прямоугольные импульсы осуществляется с определенной частотой. Период выключения и включения этого транзистора осуществляется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих переключателей являются основным активным управляющим элементом схемы. В этом случае источники питания прямого и обратного хода имеют трансформатор, после чего они снова выпрямляются.

Чтобы предотвратить падение выходного напряжения в ИИП при увеличении нагрузки, была разработана обратная связь, которая вводилась непосредственно в контроллеры ШИМ. Это соединение позволяет полностью стабилизировать регулируемое выходное напряжение, изменяя скважность импульсов. ШИМ-контроллеры обеспечивают широкий диапазон изменений выходного напряжения.

Микросхемы импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 — это контроллеры с ШИМ-регулированием по току, предназначенные для создания обоих типов импульсных преобразователей. Генераторы импульсов Master этой марки зарекомендовали себя как надежные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качествами для создания экономичных и надежных источников питания. Импульсные источники питания на основе этой микросхемы используются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и др. заглянув в справочник, можно найти всю необходимую и подробную информацию обо всех его рабочих параметрах.

Принцип работы импульсного (инверторного) блока питания

Теперь посмотрим, как работает импульсный блок питания полупрофессионального уровня.

Основная функциональность устройства заключается в выпрямлении характеристик первичного напряжения с последующим преобразованием в непрерывную последовательность импульсов с частотой, значительно превышающей номинальные 50 Гц. Это как раз главное отличие от трансформаторного блока питания. В инверторных устройствах выходное напряжение напрямую влияет на работу устройства через обратную связь. Используя импульсные характеристики, можно более точно настроить стабилизацию выходного напряжения, тока и других параметров. Фактически, импульсный источник питания может использоваться как стабилизатор как напряжения, так и тока. В этом случае полярность и количество выходных характеристик могут варьироваться в широких пределах, в зависимости от конкретной конструкции ИБП.

Схематично опишем принцип работы импульсного блока питания.

На первый блок прибора — выпрямитель — подается бытовое напряжение 220 В, на трансформаторе сглаживается амплитуда напряжения, за что отвечает фильтр на основе конденсатора конденсаторного типа. Следующим шагом является исправление синусоидального сигнала с помощью диодного моста. Впоследствии синусоидальное напряжение преобразуется в высокочастотные импульсы, и можно использовать принцип гальванической развязки напряжения питания от выходного напряжения.

Если такая гальваническая развязка присутствует, высокочастотные сигналы снова отправляются на трансформатор, который использует их для гальванической развязки. Для повышения КПД трансформатора используется такой прием за счет увеличения его рабочей частоты.

Принцип обратной связи инвертора реализуется за счет взаимодействия 3-х основных цепочек:

• шИМ-контроллер отвечает за модуляцию ширины импульса входного напряжения;
• второй элемент — каскад силовых ключей, в который входят транзисторы, собранные по специальным схемам (схема с двухтактной средней точкой, мост или полумост);
• третья цепь — это сам импульсный трансформатор.

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1

Практика ремонта электроники в реальной жизни

Одним из важнейших строительных блоков персонального компьютера, конечно же, является импульсный источник питания.

Для более удобного изучения работы агрегата имеет смысл рассмотреть каждый его узел отдельно, особенно учитывая, что все узлы импульсных источников питания от разных компаний практически одинаковы и выполняют одинаковые функции.

Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока напряжением 110/230 вольт и частотой 50-60 герц. Блоки, импортированные на частоту 60 герц, отлично работают в домашних сетях.

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

Таким образом, основная часть схемы любого компьютерного блока питания может быть разделена на несколько узлов, производящих определенные электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

• Сетевой выпрямитель. Исправьте переменное напряжение (110/230 вольт).
• Преобразователь высокой частоты (инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное выпрямителем, в высокочастотное прямоугольное напряжение. Понижающий импульсный трансформатор мощности также называют высокочастотным преобразователем. Понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, необходимых для питания электронных компонентов компьютера.
• Узел управления. Это «мозг» блока питания. Отвечает за генерацию управляющих импульсов для мощного инвертора, а также проверяет правильность работы источника питания (стабилизация выходных напряжений, защита от коротких замыканий на выходе и т.д.).
• Промежуточный этап усиления. Он служит для усиления сигналов микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).
• Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного напряжения низкого напряжения в постоянное. Здесь стабилизируется и фильтруется выпрямленное напряжение.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, от простейшего зарядного устройства для сотового телефона до мощных сварочных инверторов. Отличия только в основе элемента и реализации схем устройства.

Довольно упрощенную структуру и взаимосвязь электронных компонентов блока питания компьютера (формат АТ) можно представить следующим образом.

Все эти части схемы будут рассмотрены позже.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания для отдельных узлов. Начнем с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель

Отсюда собственно и начинается кормление. Со шнуром питания и вилкой. Вилка используется, разумеется, по «европейскому стандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует отметить, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и индуктивность фильтра L1. То есть места есть, есть и отпечатанные треки, но подробностей нет. Ну это как здесь.

Как говорится: «Без комментариев “.

При ремонте рекомендуется приводить фильтр в желаемое состояние. Резисторы R1, R4, R5 служат разрядниками для конденсаторов фильтра после отключения устройства от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду зарядного тока конденсаторов C4 и C5, а варистор R3 защищает источник питания от скачков напряжения в сети.

Особого внимания заслуживает переключатель S1 («230/115»). Когда этот переключатель замкнут, блок питания может работать от сети с напряжением 110… 127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме удвоения напряжения, а его выходное напряжение вдвое превышает напряжение сети.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220… 230 вольт, выключатель S1 размыкается. В этом случае выпрямитель работает по классической схеме диодного моста. При такой схеме переключения удвоения напряжения не происходит и в этом нет необходимости, так как агрегат работает от сети 220 вольт.

Некоторые блоки питания не имеют переключателя S1. У других он расположен на задней крышке корпуса и отмечен предупреждающей надписью. Несложно догадаться, что если замкнуть S1 и включить питание в сеть 220 вольт, это закончится катастрофой. При удвоении выходного напряжения оно достигнет значения около 500 вольт, что приведет к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит уделить больше внимания переключателю S1. Если вы планируете использовать блок питания только совместно с сетью 220 вольт, его вообще можно удалить из схемы.

В общем, все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными к родному напряжению 220 вольт. Переключатель S1 отсутствует или переведен на работу от сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание, то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующую ступень, составляет примерно 300 вольт.

вы можете повысить надежность блока питания с помощью небольшого обновления. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы следует выбирать на номинальное напряжение 180… 220 вольт.

Такое решение сможет сэкономить электроэнергию при случайном включении переключателя S1 и включении агрегата от сети 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничивают напряжение, и предохранитель FU1 перегорает.

В этом случае после несложного ремонта блок питания можно будет снова ввести в работу.

Конденсаторы C1, C3 и двухобмоточная индуктивность на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр, который может защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть в сеть, и в то же время этот фильтр защищает сеть от шума, создаваемого компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра

Типичные неисправности выпрямителя — это выход из строя одного из «мостовых» диодов (редко), хотя бывают случаи, когда перегорает весь диодный мост или протекают электролитические конденсаторы (гораздо чаще).

Внешне для этого характерен вздутый корпус и протечки электролита. Пятна очень заметны. При выходе из строя хотя бы одного из диодов выпрямительного моста обычно перегорает предохранитель FU1.

При ремонте цепей выпрямителя и фильтра помните, что в этих цепях присутствует высокое напряжение, опасное для жизни! Соблюдайте технику электробезопасности и не забудьте принудительно разрядить высоковольтные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением любых работ!

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Конструктивная схема генератора импульсов сложнее, чем у трансформаторного источника. Чтобы понять принцип работы импульсного блока питания в целом, необходимо отдельно разобрать работу каждого узла.

Блок-схема импульсного блока питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузки в случае сбоя питания и от импульсных помех, возникающих во время работы устройства. Например, рассмотрим фильтр и защиту промышленного компьютера SMPS.

Входные цепи генератора импульсов MAV-300W-P4.

Предохранитель на 5 А перегорает при превышении номинального тока в аварийной ситуации в источнике питания. Для защиты от перенапряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме это не влияет на работу устройства. При скачке сети от отверстия резко увеличивается ее сопротивление, увеличивается ток через варистор. Это приведет к срабатыванию предохранителя.

Термистор THR1 отрицательного сопротивления изначально имеет высокое сопротивление и ограничивает ток, протекающий для зарядки конденсаторов фильтра выпрямителя высокого напряжения. Затем термистор нагревается протекающим по нему током, его сопротивление уменьшается, но к тому времени конденсаторы уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазная индуктивность FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Выпрямитель высокого напряжения обычно строится по традиционной двухполупериодной мостовой схеме и не имеет особых характеристик. Если в преобразователе используется полумостовая схема, то фильтр состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов — так формируется средняя точка с напряжением, равным половине питающего.

Участок схемы генератора импульсов с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и емкостным делителем напряжения C1-C2.

Иногда резисторы ставят параллельно конденсаторам. Они нужны для разгрузки контейнеров после отключения электроэнергии.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых переключателях (часто на транзисторах). Открывая и закрывая ключи, они подают импульсы напряжения на обмотку. Этот метод производит своего рода переменное напряжение (униполярное), которое можно обычным способом преобразовать в напряжение другого уровня.

Схемы транзисторных инверторов.

Простейшая схема преобразователя постоянного тока в импульс — несимметричная. Для его реализации понадобится минимум элементов. Недостаток такого агрегата в том, что с увеличением мощности значительно увеличиваются габариты и вес трансформатора. Это связано с принципом работы такого преобразователя. Он работает в двух циклах: во время первого открыт транзистор, энергия накапливается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго накопленная энергия передается нагрузке. Чем больше мощность, тем больше индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (в результате увеличивается количество витков во вторичных обмотках).

Двухтактная схема со средней точкой (push-pull) лишена этого недостатка. Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые попеременно подключены ключами к отрицательной шине. На рисунке красная стрелка показывает направление тока для одного цикла, а красная стрелка — для другого. Обратной стороной является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичной обмотке, а также наличие перенапряжений в момент переключения. Их амплитуда может достигать двукратного значения напряжения питания, поэтому необходимо использовать транзисторы с соответствующими параметрами. Назначение этой схемы — преобразователи низкого напряжения.

При перемычке инвертора выбросы отсутствуют. Мост состоит из четырех транзисторов, диагональ которых включает первичную обмотку трансформатора. Открытые транзисторы попарно:

• первая петля — вверху слева и внизу справа;
• вторая петля — нижний левый и верхний правый.

Обмотка подключается к плюсу блока питания то одним выводом, то другим. Обратной стороной является использование 4 транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом считается использование полумостовой схемы. Здесь один конец первичной обмотки включен, а другой подключен к делителю из двух конденсаторов. В этой схеме также нет скачков напряжения, но используются только два транзистора. Недостатком такого решения является то, что на первичную обмотку подается только половина питающего напряжения. Вторая проблема заключается в том, что при создании мощных источников увеличивается емкость конденсаторов делителя и их стоимость становится нецелесообразной.

Если ИИП построен по схеме с настройкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев управление ключами осуществляется не непосредственно микросхемой ШИМ, а через промежуточный узел — драйвер. Это связано с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.

Фрагмент схемы промышленного импульсного источника — полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформатор T1.

В схемах всех преобразователей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие в себе свойства обоих типов.

Выпрямитель

Преобразованное напряжение во вторичных обмотках необходимо выпрямить. Если требуется выходное напряжение более +12 В, можно использовать обычные мостовые схемы (например, в высоковольтной части).

Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и двухполупериодного мостового выпрямителя.

Если напряжение низкое, полезно использовать двухполупериодные схемы средней точки. Их преимущество в том, что падение напряжения происходит только на одном диоде за каждый полупериод. Это уменьшает количество витков в обмотке. С этой же целью используются диоды Шоттки и группы на них. Недостатком такого решения является более сложная конструкция вторичной обмотки.

Схема выпрямителя со средней точкой и прохождением через нее тока.

Фильтр

Выпрямленное напряжение необходимо фильтровать. Для этого используются как традиционные конденсаторы, так и катушки индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели небольшие, легкие, но работают эффективно.

Схема фильтрующих цепей выходных каналов импульсного блока питания ЭВМ.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи используются для стабилизации и регулирования выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник не стабилизирован, у него нет этих цепей. Для устройств со стабилизацией тока или напряжения эти схемы выполнены на постоянных элементах (иногда с возможностью регулирования). Для регулируемых источников (лаборатория и т.д.) элементы управления включены в обратную связь для корректировки параметров в режиме онлайн.

Блок питания компьютера также имеет схему управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и так далее).

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Симметричные биполярные импульсы регулируемой длительности позволяют получить генератор импульсов по схеме рис. 1. Устройство может быть использовано в схемах автоматического регулирования выходной мощности импульсных источников питания

На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5 / К561 ЛАТ) собран генератор прямоугольных импульсов с скважностью 2

Симметрия генерируемых импульсов достигается регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необходимости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

Компараторы напряжения смонтированы на элементах ДА1.1, ДА1.3 (К561КТЗ); на DA1.2, DA1.4 — ключи выхода. Прямоугольные импульсы поступают на входы ключей компаратора DA1.1, DA1.3 в противофазе через RC-диодные цепочки (R3, C2, VD2 и R6 ,, VD5.

Заряд конденсаторов C2, C3 происходит экспоненциально через R3 и R5 соответственно; разрядка — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе C2 или C3 достигает порога переключения компараторов DA1.1 или DA1.3 соответственно, они включаются, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы DA1.2 и DA1 .4 переключаются подключены к положительному полюсу источника Так как переключатели включены в противофазе, это переключение происходит строго поочередно, с паузой между импульсами, что исключает возможность протекания тока через DA1.2 и DA1 . 4 ключа и управляемые ими транзисторы преобразователя, если в цепи питания источника импульсов используется генератор биполярных импульсов.

Равномерная регулировка длительности импульса осуществляется одновременной подачей пускового (начального) напряжения на входы компараторов (конденсаторы С2, С3) от потенциометра R5 через диодно-резистивные цепи VD3, R7 и VD4, R8. Уровень ограничения управляющего напряжения (максимальная ширина выходных импульсов) устанавливается подбором резистора R4. Нагрузочный резистор можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и конденсаторов Ca, Cb. Импульсы от генератора также могут подаваться на транзисторный усилитель мощности. При использовании генератора биполярных импульсов в импульсной цепи питания в резистивный делитель R4 должен быть включен регулирующий элемент — поле транзистора с эффектом, оптопара фотодиодная, и т д., регулировать ширину генерируемого импульса, контролируя таким образом выходную мощность преобразователя. В качестве примера практической реализации импульсных источников питания мы приведем описания и схемы некоторых из них.

Сфера применения

Практически вся современная электроника питается от блоков этого типа, например:

• зарядные устройства различных типов;
  Внешние зарядные устройства и блоки питания
• внешние источники питания;
• электронный балласт для осветительной аппаратуры;
• Мониторы БП, телевизоры и другое электронное оборудование.

Модуль питания монитора переключения

Как правильно подключать

Для правильной работы конденсаторов при самостоятельной сборке трансформаторного блока питания 12 В прибор комплектуется резистором с сопротивлением от 3 до 5 МОм на выходе.

Стабилизатор напряжения или тока

Блок питания стандартного типа собран с использованием электролитического конденсатора емкостью не более 10000 мкФ, двухполупериодного мостового выпрямителя, состоящего из диодов с обратным напряжением 50 вольт и прямым током 3А, а также предохранителя 0 , 5А. В роли встроенного регулятора напряжения на 12В используется конденсатор 7912 или 7812.

Стабилитрон

Для постоянного напряжения при выходе из блока питания рекомендуется использовать стабилитрон.

Интегральный стабилизатор напряжения

Без регулятора напряжения блок питания не сможет нормально работать. В качестве этих компонентов используются конденсаторы серий LM 78xx и LM 79xx. Стабилитроны выбираются исходя из соответствующего значения параметров тока и напряжения, их на рынке очень много, но наиболее совершенным элементом является тип КР142ЕН12.

Чем больше емкость конденсатора, тем лучше уровень выходного сигнала, он имеет правильную форму и стремится к прямой линии.

Серия LM 78xx

Эти регуляторы напряжения имеют выходной ток до 1 А и выходное напряжение: 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18, 24. Кроме того, эти конденсаторы имеют защиту от тепловой перегрузки и короткого замыкания.

Серия LM 79xx

Эти регуляторы напряжения имеют те же значения, что и серия 78xx. Они также имеют защиту от тепловой перегрузки и короткого замыкания.

Разновидности импульсных БП

В целом классификация ИБП может включать множество схем, но мы рассмотрим только две:

• бестрансформаторные импульсные устройства;
• трансформатор ИБП.

Мы уже рассмотрели, чем импульсный инвертор отличается от обычного трансформаторного блока питания. Теперь можно поговорить о различиях между этими двумя типами импульсных преобразователей.

В бестрансформаторных ИБП высокочастотные импульсы следуют за выходным выпрямителем, а затем за последним компонентом, сглаживающим фильтром. Главное достоинство такой схемы — простота конструкции. Важную роль здесь играет генератор ширины импульса, представляющий собой специализированную микросхему.

Главный недостаток таких устройств — отсутствие гальванической развязки, то есть обратной связи от цепи питания. По этой причине уровень безопасности бестрансформаторных блоков не так высок: существует опасность поражения электрическим током высокой частоты. Поэтому блоки питания этого типа делаются маломощными.

Чаще встречаются трансформаторные блоки питания. Здесь есть гальваническая развязка: высокочастотные импульсы подаются на трансформаторный блок, на первичную обмотку, а количество вторичных обмоток не ограничено. Другими словами, может быть много выходных напряжений, причем каждая вторичная обмотка содержит свою собственную пару выпрямитель-фильтр. К эффективности такого импульсного блока питания претензий нет, уровень безопасности высокий. Неслучайно этот тип используется в компьютерах. Здесь напряжение 5/12 В используется для подачи сигнала на трансформатор через гальваническую развязку, так как уровень точности и стабильности очень высок для функционирования компонентов ПК.

Среди основных отличий импульсного блока питания от классического трансформаторного блока питания — использование высокочастотных импульсов вместо стандартных 50 Гц. Это решение позволило использовать ферромагнитные сплавы вместо электрических типов железа. Они обладают высокой коэрцитивной силой, что позволило значительно уменьшить вес и габариты трансформаторной части и всего устройства.

Использование инверторных схем значительно упростило задачу преобразования напряжения и тока, хотя схематически ИБП намного сложнее трансформаторных аналогов.

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли обойтись без трансформатора? Ответ здесь неоднозначный. И можно, и нельзя. Кроме того, существуют бестрансформаторные блоки питания. Конденсатор используется для понижения напряжения. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство используется безопасно. Однако реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально его емкости. Поэтому при увеличении нагрузки необходимо использовать конденсатор большего размера, что сильно влияет на его размер. К тому же увеличивается его цена, так как он должен быть рассчитан на 400… 450 В. Помимо прочего, использование балласта отрицательно сказывается на качестве электроэнергии в электросети. Коэффициент мощности cosφ уменьшается. Но главный недостаток — отсутствие гальванической развязки. Это исключает использование подобных схем в большинстве электронного оборудования.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Итак, мощность любого ИБП определяется всего двумя параметрами — напряжением и током.

P = U ∙ I.

Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением силы тока и напряжения. Поэтому мы рассмотрим, как размеры T зависят от значения применяемых U и I fluent. Возможно, здесь мы сможем на что-то повлиять.

Напряжение или, точнее, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, числом витков w и магнитным потоком.

E = 4,44 ∙ f ∙ w ∙ Φ

Коэффициент 4,44 для закалки уберем, так как он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных источниках питания, где форма волны прямоугольная, этот коэффициент имеет другое значение.

E ~ f ∙ w ∙ Φ

Магнитный поток — это произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

E ~ f ∙ w ∙ B ∙ Sс

Давайте подумаем об этой формуле с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмоток. Проще говоря, можно с полным основанием сказать, что размеры сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А размер обмотки зависит от количества витков w.

Теперь становится очевидным, что для сохранения той же величины электродвижущей силы E при уменьшении числа витков we площади поперечного сечения Sñ и, соответственно, габаритов трансформатора необходимо увеличивать либо частоту, либо индукции или этих двух параметров одновременно.

Подавляющее большинство сердечников промышленных трансформаторов изготовлено из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения около 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Он выше только для чистого железа, которое имеет наивысшую возможную индукцию среди всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Т. К сожалению, чистое железо не подходит для использования в электромагнитных устройствах из-за высоких потерь энергии во время инверсии намагниченность.

Альтернативные магнитные материалы

Пермаллой также используется в ряде стран. Пермаллой имеет немного меньшую индукцию, чем электротехническая сталь, но имеет более высокое электрическое сопротивление. Благодаря этому снижаются потери на вихревые токи и, как следствие, потери холостого хода.

Сравнительно недавно на рынке появились аморфные и нанокристаллические сплавы по доступной цене. У них высокое электрическое сопротивление, а их индукция близка к индукции электрических сплавов. Кроме того, они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но мы не будем здесь останавливаться на этом.

Однако индукция известных в настоящее время магнитных материалов и сплавов не достигает значения, значительно превышающего индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Следовательно, в настоящее время невозможно значительно уменьшить размер электромагнитного устройства за счет использование новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое уменьшение массы и габаритов — это повышение частоты f переменного тока.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Правило № 3: после выхода из фильтра напряжение поступает на схему выпрямителя, которая в базовом исполнении состоит из диодного моста и электролитического конденсатора.

В процессе электрического преобразования форма синусоиды, состоящей из полуволн противоположного знака, сначала изменяется на сигнал положительного направления после диодной сборки, затем эти пульсации ослабляются до почти постоянного значения амплитуды 311 вольт.

Такой выпрямитель сетевого напряжения встроен в работу всех источников питания.

Схема ИБП

Рассмотрим, как не работает сложнейший импульсный блок питания в самой распространенной конфигурации:

• фильтр подавления шума;
• диодный выпрямитель;
• сглаживающий фильтр;
• ЗАТЫКАТЬ;
• силовой ключевой транзисторный замок;
• трансформатор высокой частоты;
• выпрямители;
• групповые / индивидуальные фильтры.

В зону ответственности шумоподавляющего фильтра входит функция фильтрации шума, источником которой является сам блок питания. Дело в том, что использование мощных полупроводниковых компонентов часто приводит к формированию кратковременных импульсов, наблюдаемых в широком диапазоне частот. Чтобы уменьшить их влияние на выходной сигнал, используются цепочки из специальных проходных конденсаторов, которые служат фильтром таких импульсов.

Назначение диодного выпрямителя — преобразование переменного напряжения на входе блока в постоянное напряжение на выходе. Возникающие паразитные пульсации сглаживаются фильтром, установленным далее по схеме.

Если коммутационное устройство включает в себя преобразователь постоянного напряжения, цепочка выпрямитель-фильтр будет лишней, так как входной сигнал будет сглажен в секции фильтра подавления шума.

Преобразователь ширины импульса (также называемый модулятором) — самая сложная часть устройства. Он выполняет несколько функций:

• генерирует высокочастотные импульсы (от килогерц до сотен кГц);
• по параметрам сигнала обратной связи корректирует характеристики выходной последовательности импульсов;
• защищает схему от перегрузок.

При ШИМ импульсы отправляются на мощные ключевые транзисторы, чаще всего в мостовых / полумостовых схемах. Выводы ключевых транзисторов идут на первичную обмотку трансформаторного блока. В основе элемента используются транзисторы типа MOSFET или IGBT, которые отличаются от биполярных аналогов незначительным снижением напряжения в переходной части, а также более высокой скоростью. Это позволило снизить параметр рассеиваемой мощности при том же размере.

Что касается принципа действия импульсного трансформатора, то в нем используется тот же метод преобразования, что и в классических трансформаторных блоках питания. Единственное, но важное отличие состоит в том, что он работает на гораздо более высоких частотах. Это позволило при той же выходной мощности значительно уменьшить массу и габариты агрегата.

С вторичной обмотки трансформатора (напомним, их может быть несколько) импульс идет на выходные выпрямители. В отличие от аналога на входе блока, здесь диоды должны обеспечивать работу на высоких частотах. Лучше всего с этой задачей справляются диоды Шоттки. Они предназначены для обеспечения небольшой емкости pn-перехода и, как следствие, небольшого падения напряжения на высокой рабочей частоте.

Последний элемент схемы, выходной фильтр, ослабляет пульсации выпрямленного напряжения, поступающего на вход. Поскольку это высокочастотные импульсы, нет необходимости использовать конденсаторы и катушки большой мощности.