Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового. Импульсный блок питания

СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

СТАТЬЯ ПОДГОТОВЛЕНА НА ОСНОВЕ КНИГИ А. В. ГОЛОВКОВА и В. Б ЛЮБИЦКОГО "БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT" ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЛАД и Н»

Схема стабилизации выходных напряжений в рассматриваемом классе ИБП представляет собой замкнутую петлю автоматического регулирования (рис. 31). Эта петля включает в себя:
схему управления 8;
согласующий предусилительный каскад 9;
управляющий трансформатор DT;
силовой каскад 2;
силовой импульсный трансформатор РТ;
выпрямительный блок 3;
дроссель межканальной связи 4;
блок фильтров 5;
делитель напряжения обратной связи 6;
делитель опорного напряжения 7.
В составе схемы управления 8 имеются следующие функциональные узлы:
усилитель сигнала рассогласования 8.1 с цепью коррекции Zk;
ШИМ-компаратор (модулятор) 8.2;
генератор пилообразного напряжения (осциллятор) 8.3;
источник опорного стабилизированного напряжения Uref 8.4.
В процессе работы усилитель сигнала рассогласования 8.1 сравнивает выходной сигнал делителя напряжения б с опорным напряжением делителя 7. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор 8.2, управляющий предоконечным каскадом усилителя мощности 9, который, в свою очередь, подает модулированный управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя 2 через управляющий трансформатор DT. Питание силового каскада производится по бестрансформаторной схеме. Переменное напряжение питающей сети выпрямляется сетевым выпрямителем 1 и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением и затем осуществляется усиление полученной разности (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно-импульсный модулятор 8.2 преобразует аналоговый сигнал управления в широтно-модулированный сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса. В рассматриваемом классе ИБП схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, поступающего с выхода усилителя сигнала рассогласования с напряжением пилообразной формы, которое получается от специального генератора 8.3.

Рисунок 31. Контур регулирования типового импульсного блока питания на основе управляющей микросхемы TL494.

Рисунок 32. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП PS-200B.

Рисунок 33. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП LPS-02-150XT.

Рисунок 34. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП "Appis".

Рисунок 35. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП GT-200W.

Однако наиболее распространенным является случай, когда регулировка, позволяющая воздействовать на выходные напряжения блока, отсутствует. В этом случае напряжение на любом из входов 1 или 2 выбирается произвольным в пределах от +2,5 до +5 В, а напряжение на оставшемся входе подбирается с помощью высокоом-ного шунтирующего резистора таким, чтобы блок выдавал оговоренные в паспорте выходные напряжения в номинальном нагрузочном режиме. Рис. 35 иллюстрирует случай подбора уровня опорного напряжения, рис. 34 - показывает случай подбора уровня сигнала обратной связи. Ранее было отмечено, что значение нестабильности выходного напряжения при воздействии любых дестабилизирующих факторов (изменение тока нагрузки, напряжения питающей сети и температуры окружающей среды) можно было бы уменьшить, увеличивая коэффициент усиления цепи обратной связи (коэффициент усиления усилителя DA3).
Однако максимальное значение коэффициента усиления DA3 ограничивается условием обеспечения устойчивости. Поскольку как ИБП, так и нагрузка содержат реактивные элементы (индуктивность или емкость), накапливающие энергию, то в переходных режимах происходит перераспределение энергии между этими элементами. Это обстоятельство может привести к тому, что при определенных параметрах элементов переходный процесс установления выходных напряжений ИБП примет характер незатухающие колебаний, или же величина перерегулирования в переходном режиме будет достигать недопустимых значений.

Рисунок 36. Переходные процессы (колебательный и апериодический) выходного напряжения ИБП при скачкообразном изменении тока нагрузки (а) и входного напряжения (б).

На рис. 36 изображены переходные процессы выходного напряжения при скачкообразном изменении тока нагрузки и входного напряжения. ИБП работает устойчиво, если выходное напряжение вновь принимает установившееся значение после прекращения действия возмущения, выведшего его из первоначального состояния (рис. 37,а).

Рисунок 37. Переходные процессы выходного напряжения ИБП в устойчивой (а) и неустойчивой (б) системах.

Если это условие не соблюдается, то система является неустойчивой (рис.37,6). Обеспечение устойчивости импульсного блока питания является необходимым условием его нормального функционирования. Переходный процесс в зависимости от параметров ИБП носит колебательный или апериодический характер, при этом выходное напряжение ИБП имеет определенное значение перерегулирования и время переходного процесса. Отклонение выходного напряжения от номинального значения выявляется в измерительном элементе цепи обратной связи (в рассматриваемых ИБП в качестве измерительного элемента используется резистивный делитель, подключаемый к шине выходного напряжения +5В). Из-за инерционности петли регулирования номинальное значение выходного напряжения устанавливается с определенным запаздыванием. При этом схема управления по инерции некоторое время еще будет продолжать свое воздействие в том же направлении. В результате этого имеет место перерегулирование, т.е. отклонение выходного напряжения от его номинального значения в направлении, противоположном первоначальному отклонению. Схема управления вновь изменяет выходное напряжение в противоположную сторону и т.д. Для того чтобы обеспечить устойчивость петли регулирования выходных напряжений ИБП при минимальной длительности переходного процесса, амплитудно-частотная характеристика усилителя ошибки DA3 подвергается коррекции. Это делается с помощью RC-цепочек, включаемых как цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель DA3. Примеры таких корректирующих цепочек показаны на рис. 38.

Рисунок 38. Примеры конфигурвции корректирующих RC-цепочек для усилителя ошибки по напряжению DA3.

Для уменьшения уровня помехообразования на вторичной стороне импульсного блока питания устанавливаются апериодические RC-цепочки. Остановимся подробнее на принципе их действия.
Переходный процесс тока через диоды выпрямителя в моменты коммутации происходит в виде ударного возбуждения (рис. 39,а).

Рисунок 39. Временные диаграммы напряжения на диоде восстановления обратного сопротивления:
а) - без RC-цепочки; б) - при наличии RC-цепочки.

В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП: повышающая (выходное напряжение выше входного) рис. 1,

Рис. 1. Повышающий импульсный источник питания (Uвых>Uвх).

понижающая (выходное напряжение ниже входного)

Рис. 2. Понижающий импульсный источник питания (Uвых

Понижающий импульсный источник питания (Uвых

Рис. 3. Инвертирующий импульсный источник питания (Uвых

Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.

Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. -апасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики.

Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента - высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).

К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя "всем скопом" (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.

В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП (см. рис. 3.4-1): повышающая (выходное напряжение выше входного), понижающая (выходное напряжение ниже входного) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность). Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.

Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикла

дывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики.

Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента - высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).

К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя "всем скопом" (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.

3.4.1 Эффективный импульсный стабилизатор низкого уровня сложности

На элементной базе, аналогичной применявшейся в описанном выше (рис. 3.3-3) линейном стабилизаторе, можно построить импульсный стабилизатор напряжения. При таких же характеристиках он будет обладать значительно меньшими габаритами и лучшим тепловым режимом. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рис. 3.4-2. Стабилизатор собран по типовой схеме с понижением напряжения (рис. 3.4-1а).

При первом включении, когда конденсатор С4 разряжен и к выходу подключена достаточно мощная нагрузка, ток протекает через ИС линейного стабилизатора DA1. Вызванное этим током падение напряжения на R1 отпирает ключевой транзистор VT1, который тут-же входит в режим насыщения, так как индуктивное сопротивление L1 велико и через транзистор протекает достаточно большой ток. Падение напряжения на R5 открывает основной ключевой элемент - транзистор VT2. Ток. нарастающий в L1, заряжает С4, при этом через обратную связь на R8 происходит запи-

рание стабилизатора и ключевого транзистора. Энергия, запасенная в катушке, питает нагрузку. Когда напряжение на С4 падает ниже напряжения стабилизации, открывается DA1 и ключевой транзистор. Цикл повторяется с частотой 20-30 кГц.

Цепь R3. R4, С2 задаст уровень выходного напряжения. Его можно плавно регулировать в небольших пределах, от Ucт DA1 до Uвх. Однако если Uвых поднять близко к Uвх, появляется некото рая нестабильность при максимальной нагрузке и повышенный уровень пульсации. Для подавления высокочастотных пульсации на выходе стабилизатора включен фильтр L2, С5.

Схема достаточно проста и максимально эффективна для данного уровня сложности. Все силовые элементы VT1, VT2, VD1, DA1 снабжаются небольшими радиаторами. Входное напряжение нс должно превышать 30 В. что является максимальным для стабилизаторов КР142ЕН8. Выпрямительные диоды применять на ток не менее 3 А.

3.4.2 Устройство бесперебойного питания на основе импульсного стабилизатора

На рис. 3.4-3 предлагается к рассмотрению устройство для бесперебойного питания систем охраны и видеонаблюдения на основе импульсного стабилизатора, совмещенного с зарядным устройством. В стабилизатор введены системы защиты от перегрузки, перегрева, бросков напряжения на выходе, короткого замыкания.

Стабилизатор имеет следующие параметры:

Входное напряжение, Uвx - 20-30 В:

Выходное стабилизированное напряжение, Uвыx-12B:

Номинальный ток нагрузки, Iнагр ном -5А;

Ток срабатывания системы защиты от перегрузки, Iзащ - 7А;.

Напряжение срабатывания системы защиты от перенапряжения, Uвых защ - 13 В;

Максимальный ток зарядки АКБ, Iзар акб макс - 0,7 А;

Уровень пульсации. Uпульс - 100 мВ,

Температура срабатывания системы защиты от перегрева, Тзащ - 120 С;

Скорость переключения на питание от АКБ, tперекл - 10мс (реле РЭС-б РФО.452.112).

Принцип работы импульсного стабилизатора в описываемом устройстве такой же, как и у стабилизатора, представленного выше.

Устройство дополнено зарядным устройством, выполненным на элементах DA2,R7, R8, R9, R10, VD2, С7. ИС стабилизатора напряжения DA2 с делителем тока на R7. R8 ограничивает максимальный начальный ток заряда, делитель R9, R10 задает выходное напряжение заряда, диод VD2 защищает АКБ от саморазряда при отсутствии напряжения питания.

Защита от перегрева использует в качестве датчика температуры терморезистор R16. При срабатывании защиты включается звуковой сигнализатор, собранный на ИС DD 1 и, одновременно, нагрузка отключается от стабилизатора, переходя на питание от АКБ. Терморезистор монтируют на радиаторе транзистора VT1. Точная подстройка уровня срабатывания температурной защиты осуществляется сопротивлением R18.

Датчик напряжения собран на делителе R13,R15. сопротивлением R15 устанавливают точный уровень срабатывания защиты от перенапряжения (13 В). При превышении напряжения на выходе стабилизатора (в случае выхода последнего из строя) реле S1 отключает нагрузку от стабилизатора и подключает ее к АКБ. В случае отключения питающего напряжения, реле S1 переходит в состояние "по умолчанию"- т.е. подключает нагрузку на АКБ.

Приведенная здесь схема не имеет электронной защиты от короткого замыкания для АКБ. эту роль выполняет плавкий предохранитель в цепи питания нагрузки, рассчитанный на максимальный потребляемый ток.

3.4.3 Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя

Достаточно часто при конструировании устройств возникают жесткие требования к размерам источника питания. В этом случае единственным выходом является применение ИП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей. которые подключаются к сети ~220 В без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче.

Структурная схема типового импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети представлена на рис 34-4.

Входной фильтр предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Силовые ключи обеспечивают подачу импульсов высокого напряжения на первичную обмотку высокочастотного трансформатора (могут применяться одно- и

двухтактные схемы). Частота и длительность импульсов задаются управляемым генератором (обычно применяется управление шириной импульсов, реже - частотой). В отличие от трансформаторов синусоидального сигнала низкой частоты, в импульсных ИП применяются широкополосные устройства, обеспечивающие эффективную передачу мощности на сигналах с быстрыми фронтами. Это накладывает существенные требования на тип применяемого магнитопровода и конструкцию трансформатора. С другой стороны, с увеличением частоты требуемые размеры трансформатора (с сохранением передаваемой мощности) уменьшаются (современные материалы позволяют строить мощные трансформаторы с приемлемым КПД на частоты до 100-400 кГц). Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением и затем управляет генератором. Обратите внимание на наличие гальванической развязки в цепи обратной связи, что необходимо, если мы хотим обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

При изготовлении таких ИП возникают серьезные требования к применяемым компонентам (что повышает их стоимость по сравнению с традиционными). Во-первых, это касается рабочего напряжения диодов выпрямителя, конденсаторов фильтра и ключевых транзисторов, которое не должно быть менее 350 В во избежание пробоев. Во-вторых, должны применяться высокочастотные ключевые транзисторы (рабочая частота 20-100 кГц) и специальные керамические конденсаторы (обычные оксидные электролиты на высоких частотах будут перегреваться ввиду их высокой индук-

тивности). И. в-третьих, частота насыщения высокочастотного трансформатора, определяемая типом применяемого магнитопро вода (как правило, используются тороидальные сердечники) должна быть значительно выше рабочей частоты преобразователя.

На рис. 3.4-5 приведена принципиальная схема классического ИП на основе высокочастотного преобразователя. Фильтр, состоящий из емкостей С1, С2, СЗ и дросселей L1, L2, служит для зашиты питающей сети от высокочастотных помех со стороны преобразователя. Генератор построен по автоколебательной схеме и совмещен с ключевым каскадом. Ключевые транзисторы VT1 и VT2 работают в противофазе, открываясь и закрываясь по очереди. Запуск генератора и надежную работу обеспечивает транзистор VT3, работающий в режиме лавинного пробоя. При нарастании напряжения на С6 через R3 транзистор открывается и конденсатор разряжается на базу VT2, запуская работу генератора. Напряжение обратной связи снимается с дополнительной (III) обмотки силового трансформатора Tpl.

Транзисторы VT1. VT2 устанавливают на пластинчатые радиаторы не менее 100 см^2. Диоды VD2-VD5 с барьером Шоттки ставятся на небольшой радиатор 5 см^2. Данные дросселей и трансформаторов:L1-1. L2 наматывают на кольцах из феррита 2000НМ К12х8х3 в два провода проводом ПЭЛШО 0,25: 20 витков. ТР1 - на двух кольцах, сложенных вместе, феррит 2000НН КЗ 1х18.5х7;

обмотка 1 - 82 витка проводом ПЭВ-2 0,5: обмотка II - 25+25 витков проводом ПЭВ-2 1,0: обмотка III - 2 витка проводом ПЭВ-2 0.3. ТР2 наматывают на кольце из феррита 2000НН К10х6х5. все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2 0.3: обмотка 1 - 10 витков:

обмотки II и III - по 6 витков, обе обмотки (II и III) намотаны так, что занимают на кольце по 50% площади не касаясь и не перекрывая друг друга, обмотка I намотана равномерно по всему кольцу и изолирована слоем лакоткани. Катушки фильтра выпрямителя L3, L4 наматывают на феррите 2000НМ К 12х8х3 проводом ПЭВ-2 1,0 , количество витков - 30. В качестве ключевых транзисторов VT1, VT2 могут применяться КТ809А. КТ812, КТ841.

Номиналы элементов и намоточные данные трансформаторов приведены для выходного напряжения 35 В. В случае, когда требуются иные рабочие значения параметров, следует соответству ющим образом изменить количество витков в обмотке 2 Тр1.

Описанная схема имеет существенные недостатки, обусловленные стремлением предельно уменьшить количество применяемых компонентов Это и низкий "уровень стабилизации выходного напряжения, и нестабильная ненадежная работа, и низкий выходной ток. Однако она вполне пригодна для питания простейших конструкций разной мощности (при применении соответствующих компонентов), таких как: калькуляторы. АОНы. осветительные приборы и т.п.

Еще одна схема ИП на основе высокочастотного импульсного преобразователя приведена на рис. 3.4-6. Основным отличием этой схемы от стандартной структуры, представленной на рис. 3 .4-4 является отсутствие цепи обратной связи. В связи с этим, стабильность напряжения на выходных обмотках ВЧ трансформатора Тр2 достаточно низкая и требуется применение вторичных стабилизаторов (в схеме используются универсальные интегральные стабилизаторы на ИС серии КР142).

3.4.4 Импульсным стабилизатор с ключевым МДП-транзистором со считыванием тока.

Миниатюризации и повышению КПД при разработке и конструировании импульсных источников питания способствует применение нового класса полупроводниковых инверторов - МДП-транзисторов, а также: мощных диодов с быстрым обратным восстановлением, диодов Шоттки, сверхбыстродействующих диодов, полевых транзисторов с изолированным затвором, интегральных схем управления ключевыми элементами. Все эти элементы доступны на отечественном рынке и могут использоваться в конструировании высокоэффективных источников питания, преобразователей, систем зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), систем запуска ламп дневного света (ЛДС). Большой интерес у разработчиков также может вызвать класс силовых приборов под названием HEXSense - МДП-транзисторы со считыванием тока. Они являются идеальными переключающими элементами для импульсных источников питания с готовым управлением. Возможность считывать ток ключевого транзистора может быть использована в импульсных ИП для обратной связи по току, требуемой для контроллера широтно-импульсной модуляции. Этим достигается упрощение конструкции источника питания - исключение из него токовых резисторов и трансформаторов.

На рис. 3.4-7 приведена схема импульсного источника питания мощностью 230 Вт. Его основные рабочие характеристики следующие:

Входное напряжение:-110 В 60Гц:

Выходное напряжение: 48 В постоянное:

Ток нагрузки: 4.8 А:

Частота переключения: 110 кГц:

КПДпри полной нагрузке: 78%;

КПД при нагрузке 1/3: 83%.

Схема построена на базе широтно-импульсного модулятора (ШИМ) с высокочастотным преобразователем на выходе. Принцип работы состоит в следующем.

Сигнал управления ключевым транзистором поступает с выхода 6 ШИМ контроллера DA1, коэффициент заполнения ограничивается 50% резистором R4, R4 и СЗ являются времязадающи ми элементами генератора. Питание DA1 обеспечивается цепочкой VD5, С5, С6, R6. Резистор R6 предназначен для подачи питающего напряжения во время запуска генератора, в последующем задей ствуется обратная связь по напряжению через LI, VD5. Эта обратная связь получается от дополнительной обмотки выходного дросселя, которая работает в режиме обратного хода. Помимо питания генератора, напряжение обратной связи через цепочку VD4, Cl, Rl, R2 подается на вход обратной связи по напряжению DA1 (выв.2). Через R3 и С2 обеспечивается компенсация, которая гарантирует стабильность петли обратной связи.

На базе данной схемы возможно построение импульсных стабилизаторов и с другими выходными параметрами.

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 высоковольтные 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. Кнопка SB1 предназначена для запуска схемы.

При максимальной длительности положительные и отрицательные управляющие импульсы не перекрываются во времени, поскольку между ними существует временная просечка, обусловленная наличием резистора R3 в формирующей цепи.

Тем самым снижается вероятность протекания сквозных токов через выходные относительно низкочастотные транзисторы оконечного каскада усиления мощности, которые имеют большое время рассасывания избыточных носителей на базовом переходе. Выходные транзисторы установлены на ребристые теплоотводящие радиаторы с площадью не менее 200 см^2. В базовые цепи этих транзисторов желательно установить сопротивления величиной 10…51 Ом.

Каскады усиления мощности и схема формирования двухполярных импульсов получают питание от выпрямителей, выполненных на диодах VD5 — VD12 и элементах R9 — R11, С6 — С9, С12, VD3, VD4.

Трансформаторы Т1, Т2 выполнены на ферритовых кольцах К10x6x4,5 ЗОООНМ; ТЗ — К28х16х9 ЗОООНМ. Первичная обмотка трансформатора Т1 содержит 165 витков провода ПЭЛШО 0,12, вторичные — 2×65 витков ПЭЛ-2 0,45 (намотка в два провода).

Первичная обмотка трансформатора Т2 содержит 165 витков провода ПЭВ-2 0,15 мм, вторичные — 2×40 витков того же провода. Первичная обмотка трансформатора ТЗ содержит 31 виток провода МГШВ, продетого в кембрик и имеющего сечение 0,35 мм^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.

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.

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: , преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

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

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

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

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

задающий генератор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

оптопара;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

фильтрующие конденсаторы;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

выходные разъемы.

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.