Импульсные блоки питания схемы принцип работы: Принцип работы у импульсного блока питания

Содержание

Устройство и принцип работы импульсного блока питания, основные характеристики, конструктивные исполнения достоинства и область применения

Блок питания — это устройство, преобразующее сетевое напряжения до уровня, необходимого для работы электрических схем различных приборов. Вторичные источники электропитания часто используются для бытовой техники и промышленных установок, содержащих электронику.

Изначально источники вторичного напряжения строились по схеме, которую принято называть трансформаторной. Принцип её работы состоит в трансформации сетевого напряжения до необходимого уровня с последующим его выпрямлением и стабилизацией.

Типовая схема традиционного источника электропитания состоит из следующих элементов:

силовой понижающий трансформатор, содержащий одну или несколько вторичных обмоток, в зависимости от потребностей питаемой схемы; выпрямительный блок, как правило, выполняется по схеме диодного моста;
конденсатор фильтра, включенный между положительным и отрицательным выводами моста и необходимый для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, иногда для улучшения параметров фильтра, в схему добавляется дроссель;

стабилизатор выходного напряжения, построенный на основе специализированной микросхемы или содержащий ключевой транзистор и небольшую схему управления.

Эти схемы надёжны в работе, не создают высокочастотных помех, обеспечивают гальваническую развязку между первичными и вторичными цепями. Тем не менее есть ряд причин по которым они уступают блокам питания импульсного типа.

Трансформаторы, преобразующие напряжение с частотой 50 герц, отличаются относительно большими габаритами и весом. Это свойство трансформаторных источников электропитания вступило в противоречие с общими принципами миниатюризации бытовых и промышленных электроприборов.

Проблему удалось решить путём создания импульсных или инверторных блоков. Такие параметры трансформатора, как сечение магнитопровода, количество витков обмотки и сечение провода, существенно уменьшаются с увеличением частоты преобразуемого напряжения.

Это также относится к ёмкости, следовательно, и к габаритам фильтрующих конденсаторов. Этот базовый принцип электротехники был послужил основой при создании вторичных источников питания нового типа.

КАК РАБОТАЕТ ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ

Принцип работы импульсного блока питания заключается в ряде последовательных преобразований питающего напряжения:

выпрямление входного напряжения;
инвертирование, то есть, генерация сигнала с частотой от десятков до сотен килогерц;
трансформация высокочастотных импульсов до требуемого уровня;
выпрямление и фильтрация полученного напряжения.

Цепочка преобразований в описании принципа работы импульсного блока питания выглядит достаточно громоздкой и даже лишённой смысла. Однако нужно учесть что в данной схеме преобразуется напряжение, частота которого в отдельных моделях составляет 200 кГц (а не 50 Гц, как в трансформаторных источниках питания).

Трансформаторы, которые работают на высоких частотах, называют импульсными. Обычно они используют магнитопровод тороидальной формы (в виде бублика) небольшого размера. Это позволило уменьшить вес и габариты блока той же мощности более чем на порядок.

Тор обычно изготавливается штамповкой из пермаллоя — сплава, состоящего из железа и никеля, магнитопровод же низкочастотного трансформатора набирается из тонких пластин электротехнической стали.

Принцип инверторного преобразования дает возможность создать сверхминиатюрные аппараты электродуговой сварки, работа которых возможна от обычной бытовой розетки, способные сваривать металл до 10 мм толщиной, легко переносимые в небольшой сумке с плечевым ремнём.

Базовые принципы, на которых основано устройство импульсного блока питания не новы, всё находится в рамках давно устоявшихся представлений об электричестве. Что же мешало создать их раньше? Причина в технологии.

Главными электронными компонентами инверторного преобразователя импульсного блока являются элементы схемы, способные работать с высокими частотой и напряжением и большими токовыми нагрузками.

Раньше, компонентов, отвечающих этим требованиям, просто не существовало. Настоящий прорыв в развитии и распространении инверторных технологий произошёл после того, как мировым производителям электроники удалось наладить массовое производство мощных IGBT – транзисторов, а также полевых транзисторов по технологии MOSFET.

Они отличаются очень малым значением тока управления, что обеспечивает высокий КПД блока.

Кроме мощных транзисторных ключей, инвертор содержит времязадающие цепочки, генерирующие высокочастотные сигналы управления транзисторами.

Применение в этом качестве цифровых микросхем ШИМ – контроллеров позволяет ещё более миниатюризировать электронную часть.

Контроллер широтно импульсного модулирования формирует прямоугольные периодические импульсы. В целом схемотехнически импульсные блоки питания относительно просты.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт обратной связи этого параметра с задающими цепями ШИМ – контроллера. Принцип работы обратной связи — при отклонении уровня контролируемого параметра на выходе от номинального значения происходит изменение скважности импульсов, формируемых контроллером.

Скважностью импульсов называется безразмерная величина, равная отношению периода чередования этих импульсов к их длительности. Таким образом, скважность изменяется от 0 до 1.

Увеличение уровня выходного напряжения вызывает снижение скважности и наоборот, то есть, имеет место отрицательная обратная связь. Скважность, задаваемая контроллером, определяет режим работы ключевых транзисторов. Чем выше значение скважности, тем большую часть периода транзистор открыт, и тем больше среднее значение напряжение за период.

Описанный принцип стабилизации обеспечивает работу блока питания в очень широком диапазоне изменения питающего напряжения. Резюмируя сказанное, преимущества импульсных блоков питания таковы:

малые габариты и вес по сравнению с трансформаторными источниками питания;
схемотехническая простота, обусловленная применением интегральных электронных компонентов;
возможность работы в широком диапазоне изменения значений входного напряжения.

ПРИМЕНЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ

Источники вторичного напряжения инверторного типа используются повсеместно, как в быту, так и в промышленной технике. Перечень устройств и бытовых приборов, в которых реализована схема электропитания, работающая по принципу инверторного преобразователя:

все виды компьютерной техники;
телевизионная и звуковоспроизводящая аппаратура;
пылесосы, стиральные машины, кухонная техника;
источники бесперебойного электроснабжения различного назначения;
системы видеонаблюдения, комплексы охранной сигнализации.

Исполнение инверторных источников зависит от условий эксплуатации и назначения. Блоки питания, встроенные в электроприбор, выполняются бескорпусными. Они могут располагаться внутри основного изделия на отдельной плате, или быть интегрированы в общую плату электроприбора.

Существуют источники электропитания для автономного применения, к ним могут подключаться различные потребители. Примером могут служить зарядные устройства, источники электропитания систем видеонаблюдения, охранной и пожарной сигнализации. Такие блоки питания размещаются в отдельном корпусе и комплектуются штекерами и проводами для подключения.

* * *

© 2014-2022 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер, могут выражать мнение автора и не подлежат использованию в качестве руководящих и нормативных документов.

Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Импульсный источник питания — это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы — ферритовые сердечники.

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

малый вес конструкции;
небольшие размеры;
большая мощность;
высокий КПД;
низкая себестоимость;

высокая стабильность работы;
широкий диапазон питающих напряжений;
множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

Импульсные источники питания стали фактически непременным атрибутом любой современной бытовой техники, потребляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, применяются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные транзисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе выходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходного напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных источниках питания используют вьюоковольтные транзисторы, которые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в открытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне моделей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы появилась достойная замена биполярным транзисторам, традиционно используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисторы отечественного, и, главным образом, зарубежного производства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ширины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис. 1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран генератор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

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

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компараторы напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через формирующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, СЗ, VD5) подаются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, СЗ происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или СЗ достигнет порога срабатывания компараторов-ключей DA1. 1 или DA1.3, соответственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой между импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов используется в схеме импульсного источника питания.

Плавное регулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компараторов (конденсаторы С2, СЗ) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных импульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1. 4 и конденсаторами Са, Сb. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного делителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — полевой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулировать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым выходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпрямителей сетевого напряжения, задающего генератора, формирователя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DDI . 1, DDI .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микросхеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка длительности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импульсов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт. Предварительный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выходе источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 {КС182+КС139) закрыты, транзистор VT5 закрыт, транзистор VT6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1. 1) оптрона минимально.

Сигнал, снимаемый с выхода элемента DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 напрямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2).

На выходе этого элемента формируются широкие управляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источника питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происходит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна. 2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне изменения сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (стабилизированное напряжение положительной и отрицательной полярности 12 S и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые,со вторичной обмотки трансформатора Т3). Напряжение пульсаций на выходе источника питания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с выходным каскадом на время налаживания устройства рекомендуется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания

Сетевой импульсный источник питания (рис. 3) разработан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5Вт, питаемых напряжением 5…24В.

Источник питания защищен от короткого замыкания на выходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагрузки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресспермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 содержат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каждая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм.

Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1.

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Его обмотки наматывают на разборном каркасе виток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой наматывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм. Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 3 показана пунктирной линией), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани.

Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе нагрузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания постоянного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напряжения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхему DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, СЗ и R4, С4 задают частоту генератора. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полупериодов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напряжения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрямленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее напряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17). Конденсаторы умножителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна замена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10кB или выше.

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансформатора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, остальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Обмотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, который подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Корректор коэффициента мощности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощности (рис. 5), собрано на основе специализированной микросхемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагрузкой, к синусоидальной.

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микросхеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя частота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Импульсный источник питания с микросхемой

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Power Integration показана на рис. 6. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А.

Преобразователь обеспечивает гальваническую развязку выходного напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номиналах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, потребляющую 20 Вт при напряжении 24 В. КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 Гц. Устройство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Тип микросхемы	Рmax, Вт	Ток срабатывания защиты, А	Сопротивление открытого транзистора, Ом
TOP221Y	7	0,25	31,2
T0P222Y	15	0,5	15,6
T0P223Y	30	1	7,8
T0P224Y	45	1,5	5,2
T0P225Y	60	2	3,9
T0P226Y	75	2,5	3,1
T0P227Y	90	3	2,6

Простой и высокоэффективный преобразователь напряжения

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффективный преобразователь напряжения (рис. 7) с выходной мощностью до 100 Вт.

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразователь U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрямители и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катушки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечники типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000.

Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все обмотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

Источник: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.

Как работают импульсные блоки питания, блок за блоком

Введение

Хотя вы указываете и используете блоки питания в своих проектах, они могут быть «черным ящиком» с неизвестным внутренним устройством. Хотя вам не нужно быть экспертом по проектированию блоков питания, есть преимущества в понимании основных внутренних блоков блоков питания. В этой статье мы представим топологию источника питания и обсудим каждый из внутренних функциональных блоков, чтобы дать общее представление об основных цепях, внутренних для источников питания.

Внутри блоков питания

Блок-схема на рис. 1 представляет многие блоки питания переменного/постоянного или постоянного/постоянного тока. Разница в блок-схеме между входными источниками переменного и постоянного тока по сравнению с источниками постоянного тока заключается в выпрямителе с диодным мостом. Схема выпрямителя (диоды D1, D2, D3, D4) требуется в источниках питания переменного/постоянного тока и не требуется для источников питания постоянного/постоянного тока, в противном случае топологии источников питания могут быть идентичными.

Рис. 1: Упрощенная блок-схема импульсного источника питания переменного/постоянного тока

Фильтр EMI/EMC

Блок фильтра EMI/EMC может быть либо компонентом, размещенным внутри источника питания разработчиком источника питания, либо добавленным в качестве внешнего компонента пользователем источника питания. Компоненты EMI/EMC могут потребоваться для выполнения следующих функций:

Минимизация излучаемых и кондуктивных помех на входе источника питания
Свести к минимуму влияние переходных процессов напряжения от источника входного напряжения
Минимизировать входной импульсный ток при первой подаче напряжения на вход источника питания
Защита входного источника питания и проводников в случае отказа источника питания

Если компоненты EMI/EMC являются внутренними для источника питания, группа разработчиков источника питания выбирает компоненты на основе максимального номинального выходного тока при резистивной нагрузке. Ваше приложение, вероятно, не будет работать в тех условиях, в которых оценивалась команда разработчиков. Таким образом, может возникнуть потребность в дополнительных внешних компонентах, чтобы ваша система соответствовала нормативным требованиям EMI/EMC, даже если в комплект поставки уже входят внутренние компоненты EMI/EMC.

Рис. 2: Входной фильтр EMI/EMC

Диодный мостовой выпрямитель

Как упоминалось ранее, диодный мостовой выпрямитель используется для преобразования входного переменного напряжения в постоянное напряжение для использования в источнике питания. Схема выпрямителя отсутствует в источнике питания, рассчитанном только на входное напряжение постоянного тока, поскольку постоянное напряжение уже присутствует. Однако многие источники питания, рассчитанные на входное напряжение переменного тока, также питаются от входного напряжения постоянного тока. Если постоянное напряжение подается с диодным мостом на входе источника питания, постоянное напряжение может быть подключено в любой полярности и будет проходить через диоды и появляться на входном объемном конденсаторе.

Рис. 3: Диодный мостовой выпрямитель

Входной конденсатор большой емкости

Входной конденсатор большой емкости фильтрует постоянное напряжение от диодов выпрямителя в источниках питания переменного/постоянного тока и действует как входной фильтр в источниках питания постоянного/постоянного тока. Когда входное напряжение впервые подается на источник питания, напряжение на входном конденсаторе большой емкости будет равно 0 В. Эта разница в напряжении между приложенным напряжением и напряжением на конденсаторе большой емкости может вызвать большой входной импульсный ток во время зарядки конденсатора большой емкости. к входному напряжению. Этот пусковой ток может быть проблемой, так как он может в 100 раз превышать нормальный входной рабочий ток. Часто ограничитель пускового тока, который может быть простым резистором небольшого номинала, подключается последовательно с клеммой входного напряжения для ограничения пускового тока.

При питании постоянным током входной объемный конденсатор может помочь компенсировать импеданс входных проводников и стабилизировать динамический входной импеданс источника питания. Эта веб-страница содержит более подробную информацию о входном сопротивлении источника питания и о том, как это может вызвать колебания источника питания.

Рис. 4: Входной объемный конденсатор

Входной переключатель питания

Электронный переключатель (нарисованный как полевой МОП-транзистор) преобразует входное постоянное напряжение в переменное, чтобы мощность могла проходить через изолирующие магниты (трансформатор или связанные катушки индуктивности). Рабочий цикл входного управляющего сигнала и, следовательно, выходного сигнала от ключа питания зависит от топологии источника питания, входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока нагрузки. В источниках переменного/постоянного тока причиной преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а затем обратно в переменное является то, что внутренняя частота переменного тока намного выше (от десятков килогерц до десятков мегагерц) и, следовательно, можно использовать меньшие магнитные изоляторы и компоненты выходного фильтра. выбрано. Кроме того, внутренняя форма волны переменного тока может модулироваться как часть топологии преобразования энергии.

Рис. 5: Входной выключатель питания

Магнитная изоляция

Общим элементом, используемым для магнитной изоляции, является либо трансформатор, либо связанные катушки индуктивности. В случае трансформатора или связанных катушек индуктивности имеется одна или несколько обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах изолирующего барьера. В физической конструкции изолирующих магнитов будет паразитная емкость между первичной и вторичной обмотками. Эта паразитная емкость может быть источником проблем EMI/EMC, которые необходимо решить и которые будут обсуждаться в отдельной веб-статье. Диаграмма на рисунке 6 представляет паразитную емкость, связанную с обмотками. Следует отметить, что на практике емкость не является сосредоточенным элементом, как показано на диаграмме, а скорее распределяется по обмоткам и между ними.

Рис. 6: Изолирующие магниты с сосредоточенным конденсатором, представляющим паразитную емкость

Выходной выпрямитель

Выходное напряжение изолирующих магнитов имеет форму волны переменного тока и нуждается в выпрямлении для получения выходного напряжения постоянного тока. Для выпрямления можно использовать либо пассивную схему (диоды), либо активную схему (полевые транзисторы). Схема выпрямления может быть полуволновой, двухполупериодной или другой конфигурации, в зависимости от требований к выходному напряжению и конструкции изолирующего магнита. Диодные выпрямители недороги и просты в конструкции, но рассеиваемая мощность будет больше, чем если бы была реализована активная схема выпрямителя на полевых транзисторах.

Рис. 7: Выходной выпрямитель

Выходной фильтр

Выходной выпрямитель вырабатывает постоянное напряжение, на которое накладывается переменное напряжение. Без выходной фильтрации размах шума переменного тока будет равен напряжению постоянного тока, что неприемлемо для большинства приложений. Базовый выходной фильтр представляет собой один или несколько конденсаторов, помещенных параллельно выходному напряжению. Выходную фильтрацию можно улучшить, добавив последовательную катушку индуктивности для создания фильтра «L» или фильтра «Pi». Выходной фильтр иногда применяется для подавления электромагнитных помех/электромагнитных помех. Выходные фильтры наиболее эффективны, когда компоненты расположены близко к нагрузке источника питания. Размещение компонентов фильтра близко к нагрузке сводит к минимуму падение напряжения на проводниках, вызванное колебаниями тока нагрузки.

Рисунок 8: Конденсатор выходного фильтра

Контроль напряжения, тока и температуры

Цепи для регулирования выходного напряжения, выходного тока и максимальной температуры источника питания также включены в блоки питания переменного/постоянного и постоянного тока. Эти схемы управления имеют сложный набор характеристик и обсуждаются в отдельной веб-статье.

Заключение

В этом обсуждении на высоком уровне были рассмотрены внутренние функции источников питания переменного/постоянного и постоянного тока. В других статьях мы обсуждаем функции, включенные для регулирования выходной мощности источника питания, методы, используемые для защиты источника питания и нагрузки от аварийной работы, компоненты, необходимые для соответствия нормативным требованиям EMI и EMC, а также влияние модификаций на спецификации источника питания. Если у вас есть вопросы относительно того, как они относятся к источнику питания, выбранному для вашего проекта, обратитесь в отдел продаж и поддержки клиентов CUI для получения дополнительной информации по темам, затронутым в этом обсуждении.

Категории: Основы , Выбор продукта

Разница между линейными и импульсными источниками питания | tech

Выпуск: 11 марта 2022 г., Обновление: 19 сентября 2022 г., I.R.

Как линейные, так и импульсные источники питания обеспечивают стабильный постоянный ток (также сокращенно «постоянный ток» или «DC»).
DC используется в цепях большинства электронных устройств, таких как смартфоны, компьютеры, кондиционеры и заводские роботы. Поскольку для каждого типа устройства и внутренней схемы такого электронного оборудования требуются разные напряжения, необходим источник постоянного тока, подходящий для каждого напряжения.
Первым был изобретен линейный источник питания. Линейные источники питания также известны как последовательные источники питания. В линейном источнике питания трансформатор, состоящий из железного сердечника и катушки, используется для уменьшения напряжения до входящего переменного тока (AC). Затем напряжение выпрямляется диодом в цепи выпрямителя и сглаживается конденсатором в цепи сглаживания для обеспечения стабильного напряжения.
Выходное напряжение схемы выпрямителя представляет собой серию положительных пиков синусоиды, что не является подходящим стабильным током. Поэтому напряжение выравнивается с помощью сглаживающей цепи, состоящей из конденсатора, и стабилизирующей цепи (схемы управления). Существует два типа цепей управления: шунты и последовательные цепи. Оба метода контролируют и контролируют выходное напряжение постоянного тока, чтобы поддерживать постоянное значение. Разница между входным и выходным напряжениями приводит к выделению тепла; поэтому требуется большой радиатор.
Для линейного источника питания требуется специальный трансформатор переменного тока в зависимости от входного напряжения, выходного напряжения и мощности. Таким образом, каждое устройство имело фиксированную мощность и требовало источника питания с отдельным трансформатором для каждого приложения.

Импульсные источники питания, напротив, перед регулированием напряжения имеют функцию выпрямления и сглаживания. Прерыватель используется для преобразования поступающего напряжения в последовательность высокочастотных импульсов. При включении и выключении выключателя с высокой скоростью выпрямленный ток трактуется как псевдопеременный ток (AC) с пульсирующей волной, а напряжение регулируется с помощью высокочастотного трансформатора.

Типичная разница между линейным блоком питания и импульсным блоком питания заключается в уровне шума и размере блока питания. Как упоминалось выше, импульсный источник питания многократно включает и выключает переключатель с высокой скоростью. Это вызывает шум из-за переключения. Линейные источники питания производят меньше шума, чем импульсные источники питания.
Как упоминалось выше, импульсный блок питания многократно включает и выключает коммутатор с высокой скоростью. Это вызывает шум из-за переключения. Что касается шума, линейные блоки питания производят меньше шума, чем импульсные блоки питания.
Если сравнить линейный источник питания и импульсный источник питания с одинаковым выходным сигналом, шум линейного источника питания (R4G18-2) составляет 0,5 мВ (среднеквадратичное значение) и 1 мА (среднеквадратичное значение), как указано в технических характеристиках. Однако импульсный источник питания (R4K18-2) составляет около 5 мВ (среднеквадратичное значение) и 5 мА (среднеквадратичное значение).
Другими словами, шум напряжения импульсного источника питания в десять раз больше, а шум тока в пять раз больше, чем у линейного источника питания.
Следующим шагом было определение размера блока питания. Линейный источник питания был небольшим; однако импульсный источник питания был меньше. Это связано с размером трансформатора. Если напряжение изменяется на ту же величину, трансформатор будет меньше на более высоких частотах.
В линейном источнике питания входная частота от розетки или другого источника подается непосредственно на трансформатор, тогда как в импульсном источнике питания ток после выпрямления направляется на трансформатор в виде высокочастотного импульса. Поэтому трансформатор маленький.
Например, блок питания с выходным напряжением постоянного тока 18 В, линейный блок питания (R4G18-2) имеет размеры 124 × 84 × 325 мм (В × Ш × Г) и весит примерно 3 кг. Для сравнения, импульсный блок питания (R4K18-2) имеет размеры 124 × 35 × 128 мм (В × Ш × Г) и весит примерно 500 г.
Они оба одинаковой высоты, но линейный блок питания в 2,4 раза шире, в 2,5 раза глубже и весит в шесть раз больше, чем импульсный блок питания. Это связано с тем, что в трансформаторах используется железный сердечник, а размер трансформатора влияет на его вес.
Импульсные источники питания стали широко использоваться примерно в 1990 году, намного позже линейных источников питания. Старые адаптеры переменного тока очень большие и тяжелые, потому что в них используются линейные источники питания.
В последние годы источники питания на основе нитрида галлия (GaN) с низкими потерями энергии стали коммерчески доступными. 9Источники питания 0085 GaN представляют собой полупроводники из нитрида галлия, которые аналогичны обычным полупроводникам на основе кремния. Транзисторы, использующие GaN, имеют меньшие потери мощности, чем обычные транзисторы.
Развитие этих новых технологий привело к созданию более компактных и мощных импульсных источников питания.

Существуют и другие различия между линейными и импульсными источниками питания, помимо шума и амплитуды, которые объясняются ниже.

● Импульсные источники питания имеют меньшие потери при преобразовании энергии.: НАСА первоначально разработало импульсные источники питания для космических приложений. Поэтому они были разработаны для обеспечения высокой энергоэффективности. Импульсные источники питания более эффективны, поскольку линейные источники питания теряют больше энергии в виде тепла.
● Линейный источник питания быстрее реагирует на колебания нагрузки: Выход импульсного источника питания управлялся схемой управления. Напротив, линейные источники питания управляются реакцией схемы регулятора. Поэтому линейный источник питания быстрее реагирует на колебания нагрузки.