Как работает импульсный источник питания

Схема, принцип работы импульсного блока питания

Любой блок питания – это устройство, обеспечивающее формирование вторичной мощности посредством применения дополнительных электрических компонентов. Проще говоря, БП служит для преобразования напряжения из одного вида в другой, по номиналу или другим характеристикам. Существует два больших класса таких преобразователей:

  • использующие для преобразования напряжения аналоговые трансформаторы;
  • блоки питания (инверторы) импульсного типа.

Первый тип известен достаточно давно, несмотря на постоянное совершенствование, трансформаторные блоки питания имеют ряд ограничений, преодолеть которые оказалось под силу импульсным устройствам. Принцип действия у них разный, отличия принципиальные, но многие не видят разницы между трансформаторными и импульсными преобразователями. Мы попробуем внести ясность в этот вопрос, рассмотрев принцип работы, достоинства и недостатки, а также сферу применения импульсных БП. И, конечно, затронем основные отличия от блоков питания устаревшего типа.

Что это такое

Упрощённо трансформаторный БП можно представить в виде схемы, состоящей из собственно трансформатора, выпрямителя, фильтра для сглаживания параметров выходного напряжения и стабилизатора. Такие устройства обладают достаточно простой схемотехникой, недорогие и обеспечивают низкий уровень помех выходного сигнала.

Но у них есть серьёзные конструктивные недостатки – большой вес и невысокий КПД. Значительная часть энергии преобразовывается в тепловую, поэтому проблема перегрева для таких устройств, особенно мощных – одна из самых актуальных.

Принцип работы импульсных БП для начинающих тоже можно объяснить довольно просто: он также основан на использовании трансформатора, однако работает он на очень больших частотах, порядка 1-100 КГц и обладает гораздо меньшими габаритами и массой. Это, в свою очередь, делает задачу отвода тепла легко выполнимой. Функция фильтрации/стабилизации выходного напряжения упрощается, поскольку для этой задачи используются конденсаторы малой ёмкости.

Но и у инверторных оков питания имеются недостатки – сложная схемотехника, чувствительность к электромагнитным помехам. Что касается стоимости, то она вполне сравнима с трансформаторными устройствами.

Принцип работы импульсного (инверторного) блока питания

А теперь рассмотрим, как работает импульсный блок питания, на полупрофессиональном уровне.

Основной функционал устройства заключается в выпрямлении характеристик первичного напряжения с последующим преобразованием в непрерывную последовательность импульсов, следующих с частотой, существенно превышающую номинальные 50 Гц. Именно в этом и заключается основное отличие от БП трансформаторного типа. У инверторных устройств выходное напряжение прямо влияет на функционирование блока посредством обратной связи. Используя характеристики импульсов, можно более точно регулировать стабилизацию выходного напряжения, тока и других параметров. Фактически импульсный блок питания может использоваться в качестве стабилизатора и напряжения, и тока. При этом полярность и число выходных характеристик может варьироваться в широких пределах, в зависимости от конкретной конструкции ИБП.

Опишем принцип действия импульсного БП схематично.

На первый блок устройства, выпрямитель, подаётся бытовое напряжение номиналом 220 В, на трансформаторе амплитуда напряжения сглаживается, за что отвечает фильтр на основе конденсатора ёмкостного типа. Следующий этап – выпрямление синусоидного сигнала посредством диодного моста. После этого синусоидное напряжение преобразовывается в высокочастотные импульсы, при этом может быть использован принцип гальванического отделения питающего напряжения от выходного.

Если такая гальваническая развязка присутствует, высокочастотные сигналы по принципу обратной связи снова направляются на трансформатор, который использует их для осуществления гальванической развязки. Чтобы повысить КПД трансформатора, используется такой приём, как повышение его рабочей частоты.

Инверторный принцип обратной связи реализован посредством взаимодействия 3 базовых цепочек:

  • за широтно-импульсную модуляцию входного напряжения отвечает ШИМ-контроллер;
  • второй элемент – каскад силовых ключей, включающий собранные по специальным схемам транзисторы (схема со средней точкой Push-Pull, мостовая или полумостовая);
  • третья цепочка – собственно импульсный трансформатор.

Разновидности импульсных БП

По большому счёту классификация ИБП может включать немало схем, но мы рассмотрим только две из их:

  • бестрансформаторные импульсные устройства;
  • трансформаторные ИБП.

Мы уже рассматривали, чем отличается импульсный инвертор от обычного трансформаторного блока питания. Теперь можно рассказать об отличиях между этими двумя разновидностями импульсных преобразователей.

В бестрансформаторных ИБП высокочастотные импульсы следуют на выходной выпрямитель, и далее – на оконечную компоненту, сглаживающий фильтр. Основное достоинство такой схемы – простота конструкции. Большую роль здесь играет широтно-импульсный генератор, представляющий собой специализированную микросхему.

Главный минус таких устройств – отсутствие гальванической развязки, то есть обратной связи с питающей цепочкой. По этой причине уровень безопасности бестрансформаторных блоков не так высок – существует опасность поражения электрическим током высокой частоты. Поэтому блоки питания такого типа делают маломощными.

Трансформаторные БП более распространены. Здесь присутствует гальваническая развязка: высокочастотные импульсы подаются на трансформаторный блок, на первичную обмотку, при этом количество вторичных обмоток неограниченно. Другими словами, выходных напряжений может быть много, при этом каждая вторичная обмотка содержит собственную пару выпрямитель – фильтр. К КПД такого импульсного блока питания претензий нет, уровень безопасности – высокий. Неслучайно в компьютерах используют именно этот тип. Здесь для подачи сигнала на трансформатор по гальванической развязке используется напряжение номиналом 5/12 В, поскольку уровень точности и стабильности для работы компонентов ПК требуется очень высокий.

В числе основных отличий импульсного блока питания от классического трансформаторного является использование высокочастотных импульсов вместо стандартных 50 Гц. Такое решение позволило использовать ферромагнитные сплавы вместо электротехнических разновидностей железа. Они обладают высокой коэрцитивной силой, что предоставило возможность многократно уменьшить вес и размеры трансформаторной части и всего устройства.

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

Схема ИБП

Рассмотрим, как устроен не самый сложный импульсный блок питания в наиболее распространённой конфигурации:

  • помехоподавляющий фильтр;
  • диодный выпрямитель;
  • сглаживающий фильтр;
  • ШИП;
  • блок силовых ключевых транзисторов;
  • высокочастотный трансформатор;
  • выпрямители;
  • групповые/индивидуальные фильтры.

В зону ответственности помехоподавляющего фильтра входит функция фильтрация помех, источником появления которых является сам блок питания. Дело в том, что использование мощных полупроводниковых компонентов часто приводит к формированию кратковременных импульсов, наблюдаемых в обширном диапазоне частот. Чтобы снизить их влияние на выходной сигнал, применяются цепочки специальных проходных конденсаторов, служащих фильтром для подобных импульсов.

Назначение диодного выпрямителя – преобразование переменного напряжения на входе блока в постоянное на выходе. Возникающие паразитные пульсации сглаживает установленный долее по схеме фильтр.

Если устройство импульсного блока включает преобразователь постоянного напряжения, цепочка из выпрямителя и фильтра будет лишней, поскольку входной сигнал будет сглаживаться на участке помехоподавляющего фильтра.

Широтно-импульсный преобразователь (его ещё называют модулятором) – наиболее сложная часть устройства. Он выполняет несколько функций:

  • генерирует импульсы высокой частоты (от килогерца до сотен КГц);
  • на основании параметров сигнала обратной связи корректирует характеристики импульсной последовательности на выходе;
  • осуществляет защиту схемы от перегрузок.

С ШИМ импульсы подаются на ключевые транзисторы высокой мощности, чаще всего выполненные по мостовой/полумостовой схемам. Выводы ключевых транзисторов поступают на первичную обмотку трансформаторного блока. В качестве элементной базы используются транзисторы типа MOSFET или IGBT, отличающиеся от биполярных аналогов незначительным снижение напряжения на участке перехода, а также более высоким быстродействием. Это позволило снизить параметр рассеиваемой мощности при тех же габаритах.

Что касается принципа работы импульсного трансформатора, то он использует тот же способ преобразования, что и классические трансформаторные БП. Единственное, но важное отличие – он работает на гораздо более высоких частотах. Это и позволило при той же выходной мощности заметно уменьшить массу и размеры блока.

С вторичной обмотки трансформатора (напоминаем, их может быть несколько) импульс поступает на выходные выпрямители. В отличие от аналога на входе блока, здесь диоды должны обеспечивать работу на высоких частотах. Лучше всего с такой работой справляются диоды Шоттки. Они устроены так, что обеспечивают малую ёмкость p-n перехода и, соответственно, небольшое падение напряжения при высоком показателе рабочей частоты.

Последний элемент схемы, выходной фильтр, сглаживает пульсации поступающего на вход выпрямленного напряжения. Поскольку это высокочастотные импульсы, здесь отпадает необходимость в применении конденсаторов и катушек большой мощности.

Сфера применения ИБП

Эра классических трансформаторных БП уходит в небытие. Импульсные преобразователи на основе полупроводниковых стабилизаторов повсеместно их вытесняют, поскольку при тех же значениях выходной мощности характеризуются гораздо меньшими весогабаритными показателями, они надёжнее аналоговых оппонентов и обладают намного более высоким КПД, позволяя снизить тепловые потери. Наконец, ИБП могут функционировать с входным напряжением в обширном диапазоне значений. Импульсный блок такого же размера, как трансформаторный, обладает в разы большей мощностью.

В настоящее время в сферах, требующих преобразования переменного напряжения в постоянное, используются практически только импульсные инверторы, при этом они могут обеспечить и повышение напряжения, что недоступно для классических аналоговых блоков. Ещё одним достоинством ИБП является способность обеспечить смену полярности выходного напряжения. Работа на высоких частотах облегчает функцию стабилизации/фильтрации выходных импульсов.

Читайте также  Как резать кафель болгаркой

Малогабаритные инверторы, построенные на специализированных микросхемах, являются основой зарядных устройств всевозможных мобильных гаджетов, а надёжность их такова, что срок службы существенно превышает ресурс мобильных устройств. О компьютерных блоках питания мы уже упоминали. Отметим, что принцип работы ИБП используется в 12-вольтовых драйверах питания светодиодов.

Помогла ли вам данная статья разобраться с тем, какой же всё-таки принцип работы импульсного блока питания? Если что-то осталось непонятным или вы просто хотите поблагодарить за информацию, ждём вас в комментариях.

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

  • различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.
Читайте также  Как собрать витую пару

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Импульсные блоки питания

Блоки питания (БП) предназначены для реализации вторичной мощности в электрических цепях, а также для преобразования напряжения до необходимых значений. Элементы могут быть встроены в оборудование или подключаться самостоятельным звеном.

Виды блоков питания

Существует два принципа преобразования электроэнергии в устройствах: на основе аналогового трансформатора и на импульсных блоках питания (ИБП).

Трансформаторные БП. Особенность блоков питания такого типа заключается в использовании силового трансформатора для изменения напряжения в сети. Устройства понижают амплитуду синусоидальной гармоники и направляют ее в выпрямитель, состоящий из силовых диодов. Сглаживание происходит за счет параллельно подключенной емкости. Окончательная стабилизация питающего напряжения осуществляется в полупроводниковой схеме с резисторами.

Трансформаторные преобразователи до недавнего времени были единственными в своем роде, но имели недостатки:

  • большой вес и крупные габариты;
  • высокую стоимость, зачастую многократно превосходящую цену остальных компонентов сети.

Импульсные БП. В конструкции устройства нет понижающего трансформатора. Почти во всей современной аппаратуре установлены именно импульсные блоки питания как наиболее компактные и эффективные.

Преимущества и недостатки импульсных блоков питания

Основные преимущества ИБП:

  • Малый вес и компактные размеры. Уменьшение габаритов устройств обусловлено переходом от использования тяжелых силовых трансформаторов. В ИБП нет линейных управляющих систем, которые требуют установки больших охлаждающих радиаторов. Повышение частоты обрабатываемых сигналов также позволило уменьшить размеры конденсаторов.
  • Высокий КПД. Низкочастотные трансформаторы характеризуются значительными потерями энергии в виде тепла, которое образуется в результате электромагнитных преобразований. В ИБП максимальные потери происходят в каскаде силовых ключей во время переходных процессов, а все остальное время транзисторы устойчивы. Потери энергии сведены к минимуму. КПД устройств достигает 98 %.
  • Широкий диапазон входных напряжений. Область применения устройств значительно расширена. Импульсные технологии позволяют использовать блоки питания в сетях с различными стандартами электроэнергии.
  • Встроенные системы защиты. Большинство моделей имеют автоматическую защиту от токов короткого кроткого замыкания, системы аварийного отключения нагрузок и т. д. Защитные устройства надежно встраиваются в конструкцию блоков благодаря применению миниатюрных цифровых полупроводниковых модулей.
  • Доступная стоимость. Элементная база ИБП постоянно унифицируется. Снижается стоимость на основные компоненты устройств, которые выпускаются серийно на автоматических станках. Дополнительное сокращение затрат достигается за счет использования менее мощных полупроводников.

Недостатками ИБП являются:

  • Ограничения по мощности. Существуют противопоказания, как при высоких, так и при низких нагрузках. Если в выходной цепи ток упадет ниже критического значения, то блок начинает генерировать напряжение с искаженными характеристиками, либо полностью отказывает схема запуска.
  • Наличие высокочастотных помех. Блоки вырабатывают их в любом исполнении. Высокочастотные помехи транслируются в окружающую среду, поэтому необходимо дополнительно решать вопрос об их подавлении. В некоторых видах чувствительной цифровой аппаратуры использование ИБП по этой причине невозможно.

Принцип работы импульсного источника питания

Устройство работает по принципу инвертора. Сначала переменное напряжение в блоке преобразуется в постоянное, а затем снова в переменное, но уже с необходимой частотой.

Схематически устройство можно представить как совокупность трех цепей:

  • ШИМ-контроллера, который регулирует преобразование широтно-импульсной модуляции;
  • каскада силовых ключей, подключенных по мостовой, полумостовой схеме или по схеме со средней точкой;
  • импульсного трансформатора.

Взаимодействие элементов импульсного БП происходит по следующей схеме:

  • напряжение 220В поступает на выпрямитель. Амплитуда сглаживается за счет работы конденсаторов емкостного фильтра;
  • проходящие синусоиды выпрямляются диодным мостом;
  • транзисторная схема преобразует ток в импульсы прямоугольной формы и высокой частоты.

Преобразование синусоид в импульсы может выполняться с гальваническим отделением питающей сети от выходных сетей или без нее.

Виды импульсных блоков питания

С гальванической развязкой. Высокочастотные сигналы поступают на трансформатор, ответственный за гальваническую развязку цепей. Устройства такого типа имеют более компактный магнитопровод и характеризуются повышенной эффективностью использования. Чаще всего сердечник трансформатора изготавливают из ферромагнетиков, а не из электротехнических сталей, что также позволяет уменьшить размеры элементов.

Без гальванической развязки. В схеме импульсного БП отсутствует высокочастотный разделительный трансформатор. Питающий сигнал поступает на фильтр нижних частот.

Принципиальная схема импульсного блока питания

Основные элементы импульсных блоков питания:

  • сетевой выпрямитель;
  • накопительная фильтрующая емкость;
  • силовой транзистор;
  • генератор;
  • транзисторная схема обратной связи;
  • оптопара;
  • импульсный источник питания;
  • выходной диодный выпрямитель;
  • цепи управления выходного напряжения;
  • фильтрующие конденсаторы;
  • дроссели, предназначенные для диагностики и коррекции напряжения;
  • выходные разъемы.

Если в устройстве используется преобразователь постоянного напряжения, то первые два компонента становятся не нужными. Сигнал проходит непосредственно на ШИМ (широтно-импульсный модулятор). Этот элемент является самым сложным в конструкции ИБП. Его основные функции:

  • генерация импульсов высокой частоты;
  • контроль и коррекция частотной последовательности с учетом данных обратной связи;
  • защита от перегрузок.

С ШИМ-модуля сигнал поступает на ключевые транзисторы. Их силовые выводы нагружены на первичную обмотку высокочастотного трансформатора. В конструкции ИБП вместо обычных биполярных транзисторов используют элементы MOSFET или IGBT, которые характеризуются минимальным падением напряжения и быстродействием.

Со вторичной обмотки импульсного трансформатора (таких элементов может быть несколько в цепи) напряжение подается на выходные диоды с повышенной рабочей частотой. Чаще всего в конструкциях используют диоды Шоттки.

Функция выходного фильтра – уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения.

Сферы применения импульсных блоков питания

Малогабаритные ИБП на интегральных микросхемах применяются в конструкции зарядных устройств для электронных гаджетов: планшетов, телефонов, электронных книг. Элементы такого типа востребованы также в производстве телевизоров, усилителей, медицинских приборов, низковольтных осветительных установок.

Выбирайте и заказывайте блоки питания в каталоге компании «ПРОМАИР». Мы предлагаем широкий модельный ряд, выгодные цены, предоставляем грамотные консультации по характеристикам устройств. Для связи со специалистами позвоните по телефонам +375 (17) 513-99-92 или +375 (17) 513-99-93.

Импульсные источники питания — общие принципы, преимущества и недостатки

Сегодня уже трудно в каком-нибудь бытовом приборе или блоке питания обнаружить трансформатор на железе. В 90-е годы они начали быстро уходить в прошлое, уступая место импульсным преобразователям или импульсным источникам питания (сокращенно ИИП).

Импульсные источники питания превосходят трансформаторные по габаритам, качеству получаемого постоянного напряжения, они имеют широкие возможности регулировки выходного напряжения и тока, а также традиционно оснащены защитой от перегрузки по выходному току. И хотя считается, что импульсные блоки питания являются основными поставщиками помех в бытовую сеть, тем не менее широкое их распространение вспять уже точно не повернуть.

Трансформаторный источник питания:

Импульсный источник питания:

Своей повсеместной распространенностью импульсные блоки питания обязаны полупроводниковым ключам — полевым транзисторам и диодам Шоттки. Именно полевой транзистор, работающий совместно с дросселем или трансформатором, является сердцем любого современного импульсного источника питания: в инверторах, сварочных аппаратах, источниках бесперебойного питания, во встроенных блоках питания телевизоров, мониторов и т. д. — нынче практически везде используются только импульсные схемы преобразования напряжения.

Общий принцип функционирования импульсного преобразователя основан на законе электромагнитной индукции, и в этом он сходен с любым трансформатором. Разница лишь в том, что на обычный сетевой трансформатор переменное напряжение с частотой сети 50 Гц подается сразу на первичную обмотку и преобразуется непосредственно, (после чего, если нужно, выпрямляется) а в импульсном блоке питания сетевое напряжение сначала выпрямляется и превращается в постоянное, и уже после — преобразуется в импульсное, с тем чтобы далее быть повышенным либо пониженным при помощи специальной высокочастотной (по сравнению с сетевыми 50 герцами) схемы.

Схема импульсного источника питания включает в себя несколько главных составных частей: сетевой выпрямитель, ключ (или ключи), трансформатор (или дроссель), выходной выпрямитель, блок управления, а также блок стабилизации и защиты. Выпрямитель, ключ и трансформатор (дроссель) — основа силовой части схемы ИИП, в то время как электронные блоки (включая ШИМ-контроллер) относятся к так называемому драйверу.

Итак, сетевое напряжение подается через выпрямитель на конденсатор сетевого фильтра, где таким образом получается постоянное напряжение, максимум которого составляет от 305 до 340 вольт, в зависимости от текущего среднего значения напряжения в сети (от 215 до 240 вольт).

Выпрямленное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора (дросселя) в форме импульсов, частота следования которых определяется обычно схемой управления ключом, а длительность — средним током питаемой нагрузки.

Ключ с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц подключает и отключает первичную обмотку трансформатора или дросселя к конденсатору фильтра, перемагничивая таким образом сердечник трансформатора или дросселя.

Читайте также  Как правильно наточить ножовку по дереву видео

Различие между трансформатором и дросселем: в дросселе фазы накопления энергии от источника сердечником и отдачи энергии из сердечника через обмотку — в нагрузку, разделены во времени, а в трансформаторе это происходит одновременно.

Дроссель применяется в преобразователях без гальванической развязки топологий: повышающий — boost, понижающий — buck, а также в преобразователях с гальванической развязкой топологии обратноходовый — flyback. Трансформатор применяется в преобразователях с гальванической развязкой следующих топологий: мост — full-bridge, полумост — half-bridge, двухтактный — push-pull, прямоходовой — forward.

Ключ может быть одиночным (обратноходовый преобразователь, прямоходовый преобразователь, повышающий или понижающий преобразователь без гальванической развязки) или же силовая часть может включать в себя несколько ключей (полумост, мост, двухтактный).

Схема управления ключом (ключами) получает с выхода источника сигнал обратной связи по напряжению или по напряжению и току нагрузки, в соответствии с величиной этого сигнала автоматически осуществляется регулировка ширины (скважности) импульса, управляющего длительностью проводящего состояния ключа.

Выход источника устроен следующим образом. Со вторичной обмотки трансформатора или дросселя, либо с единственной обмотки дросселя (если речь идет о преобразователе без гальванической развязки), импульсное напряжение подается через диоды Шоттки двухполупериодного выпрямителя — на конденсатор фильтра.

Здесь же находится делитель напряжения с которого берется сигнал обратной связи по напряжению, а также может присутствовать датчик тока. К конденсатору фильтра, через дополнительный выходной НЧ-фильтр или напрямую, присоединяется нагрузка.

Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

Практически в каждом электронном приборе есть блок питания – важный элемент монтажной схемы. Блоки применяются в устройствах, требующих пониженного питания. Базовой задачей блока питания считается уменьшение сетевого напряжения. Первые импульсные блоки питания сконструированы после изобретения катушки, которая работала с переменным током.

Применение трансформаторов дало толчок развития блоков питания. После выпрямителя тока осуществляется выравнивание напряжения. В блоках с преобразователем частоты этот процесс проходит по-другому.

В импульсном блоке основу составляет инверторная система. После выпрямления напряжения образуются прямоугольные импульсы с высокой частотой, подаются на фильтр выхода низкой частоты. Импульсные блоки питания преобразовывают напряжение, отдают мощность на нагрузку.

Рассеивание энергии от импульсного блока не происходит. От линейного источника идет рассеивание на полупроводниках (транзисторах). Его компактность и малый вес также дает превосходство над трансформаторными блоками при одинаковой мощности, поэтому часто линейные блоки заменяют импульсными.

Принцип действия

Работа ИБП простой конструкции следующая. Если входной ток является переменным, как в большинстве бытовых приборах, то сначала происходит преобразование напряжения в постоянное. Некоторые конструкции блоков имеют переключатели, удваивающие напряжение. Это делается для того, чтобы подключаться к сети с разным номиналом напряжения, например, 115 и 230 вольт.

Выпрямитель выравнивает переменное напряжение и на выходе отдает постоянный ток, который поступает в фильтр конденсаторов. Ток от выпрямителя выходит в виде малых импульсов высокой частоты. Сигналы обладают высокой энергией, за счет которой снижается коэффициент мощности трансформатора импульсов. Благодаря этому габариты импульсного блока небольшие.

Чтобы скорректировать уменьшение мощности в новых блоках питания применяют схему, в которой ток на входе получается в виде синуса. По такой схеме смонтированы блоки в компьютерах, видеокамерах и других устройствах. Импульсный блок работает от постоянного напряжения, проходящего через блок, не изменяясь. Такой блок называют обратноходовым. Если он служит для 115 В, для работы на постоянном напряжении необходимо уже 163 вольта, это рассчитывается как (115 × √2).

Для выпрямителя такая схема вредна, так как половина диодов не используется в работе, это вызывает перегрев рабочей части выпрямителя. Долговечность в этом случае снижается.

После выпрямления напряжения сети в действие вступает инвертор, который преобразовывает ток. Пройдя через коммутатор, имеющий большую энергию выхода, из постоянного получается переменный ток. С обмоткой трансформатора в несколько десятков витков и частотой сотни герц блок питания работает в качестве усилителя низкой частоты, она получается больше 20 кГц, она не доступна слуху человека. Коммутатор изготовлен на транзисторах с многоступенчатым сигналом. Такие транзисторы имеют низкое сопротивление, высокую возможность прохода токов.

Схема работы ИБП

В сетевых блоках вход и выход изолируют между собой, в импульсных блоках ток применяется для первичной обмотки высокой частоты. На вторичной обмотке трансформатор создает нужное напряжение.

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:
  • Быстрое восстановление, что дает возможность иметь малые потери.
  • Малое падение напряжения. Для снижения напряжения выхода применяют транзистор, в нем выпрямляется основная часть напряжения.

Далее напряжение сглаживается фильтром, в него входят конденсатор, дроссель. Для частот коммутации выше требуются составляющие с малой индуктивностью и емкостью.

Схема импульсного блока минимального размера

В простой схеме ИБП вместо трансформатора применен дроссель. Это преобразователи для понижения или повышения напряжения, относятся к самому простому классу, применяется один переключатель и дроссель.

Некоторые виды ИБП
  • Простой ИБП на IR2153, распространен в России.
  • Импульсные блоки питания на TL494.
  • Импульсные блоки питания на UC3842.
  • Гибридного типа, из энергосберегающей лампы.
  • Для усилителя с повышенными данными.
  • Из электронного балласта.
  • Регулируемый ИБП, механическое устройство.
  • Для УМЗЧ, узкоспециализированный блок питания.
  • Мощный ИБП, имеет высокие характеристики.
  • На 200 В – на напряжение не более 220 вольт.
  • Сетевой ИБП на 150 ватт, только для сети.
  • Для 12 В – нормально работает при 12 вольтах.
  • Для 24 В – работает только на 24 вольта.
  • Мостовой – применена мостовая схема.
  • Для усилителя на лампах – характеристики для ламп.
  • Для светодиодов – высокая чувствительность.
  • Двухполярный ИБП, отличается качеством.
  • Обратноходовый, имеет повышенные напряжение и мощность.
Особенности

Простой ИБП может состоять из трансформаторов малых размеров, так как при повышении частоты эффективность трансформатора выше, требования к размерам сердечника меньше. Такой сердечник изготовлен из ферромагнитных сплавов, а для низкой частоты используется сталь.

Напряжение в блоке питания стабилизируется путем обратной связи отрицательной величины. Осуществляется поддержка напряжения выхода на одном уровне, не зависит от нагрузки и входных колебаний. Обратная связь создается разными методами. Если в блоке есть гальваническая развязка от сети, то применяется связь одной обмотки трансформатора на выходе или с помощью оптрона. Если развязка не нужна, то используют простой резистивный делитель. За счет этого напряжение выхода стабилизируется.

Особенности лабораторных блоков

Принцип действия осуществлен на активном преобразовании напряжения. Для удаления помех ставят фильтры в конце и начале цепи. Насыщение транзисторов положительно отражается на диодах, имеется регулировка напряжения. Встроенная защита блокирует короткие замыкания. Кабели питания применены немодульной серии, мощность достигает 500 ватт.

В корпусе установлен вентилятор охлаждения, скорость вентилятора регулируется. Наибольшая нагрузка блока составляет 23 ампера, сопротивление 3 Ом, наибольшая частота 5 герц.

Применение импульсных блоков

Сфера их использования постоянно растет как в быту, так и в промышленном производстве.

Импульсные блоки питания применяются в источниках бесперебойного питания, усилителях, приемниках, телевизорах, зарядных устройствах, для низковольтных линий освещения, компьютерной, медицинской технике и других различных приборах, и устройствах широкого назначения.

Достоинства и недостатки
ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:
  • Небольшой вес.
  • Увеличенный КПД.
  • Небольшая стоимость.
  • Интервал напряжения питания шире.
  • Встроенные защитные блокировки.

Уменьшенная масса и размеры связано с применением элементов с радиаторами охлаждения линейного режима, импульсного регулирования вместо тяжелых трансформаторов. Емкость конденсаторов уменьшена за счет увеличения частоты. Схема выпрямления стала проще, самая простая схема – однополупериодная.

У трансформаторов низкой частоты теряется много энергии, рассеивается тепло во время преобразований. В ИБП максимальные потери возникают при переходных процессах коммутации. В другое время транзисторы устойчивы, они закрыты или открыты. Созданы условия для сохранения энергии, КПД достигает 98%.

Стоимость ИБП снижена из-за унификации элементов широкого ассортимента на роботизированных предприятиях. Силовые элементы из управляемых ключей состоят из полупроводников меньшей мощности.

Технологии импульсов дают возможность применять сеть питания с разной частотой, что расширяет применение блоков питания в различных сетях энергии. Модули на полупроводниках с небольшими габаритами с цифровой технологией имеют защиты от короткого замыкания и других аварий.

Недостатки

Импульсные блоки питания функционируют с помощью преобразования импульсов высокой частоты, создают помехи, уходящие в окружающую среду. Возникает необходимость подавления и борьбы с помехами разными методами. Иногда подавление помех не дает эффекта, и применение импульсных блоков становится невозможным для некоторых типов устройств.