Принцип работы импульсного блока питания для чайников

Принцип работы импульсного блока питания

Как работают импульсные блоки питания

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты.

Этим он отличается от обычного трансформатора.

Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов.

Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока.

То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Количество и полярность выходных значений может быть самым различным в зависимости от того, как работает импульсный блок питания.

Использование импульсных блоков питания

В сети напряжение имеет синусоидальную форму.

Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение.

Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение.

Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.

Примеры импульсных блоков питания:

Зарядное устройство для телефона или смартфона;
Внешний блок питания ноутбука;
Блок питания компьютера;
Блок питания для светодиодной ленты.

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:

Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
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 U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

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 U_РС, 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.

Читать еще: Как узнать где фаза, а где ноль без прибора

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

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Импульсный блок питания служит для преобразования входного напряжения до величины, необходимой внутренним элементам устройства. Иное название импульсных источников, получившее широкое распространение, — инверторы.

Что это такое?

Инвертор — это вторичный источник питания, который использует двойное преобразование входного переменного напряжения. Величина выходных параметров регулируется путем изменения длительности (ширины) импульсов и, в некоторых случаях, частоты их следования. Такой вид модуляции называется широтно-импульсным.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты. Этим он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов. Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока. То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

бестрансформаторные;
трансформаторные.

Первые отличаются тем, что импульсная последовательность поступает непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум комплектующих. Простой инвертор включает в себя специализированную интегральную микросхему — широтно-импульсный генератор.

Из недостатков бестрансформаторных устройств главным является то, что они не имеют гальванической развязки с питающей сетью и могут представлять опасность удара электрическим током. Также они обычно имеют небольшую мощность и выдают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых высокочастотная последовательность импульсов поступает на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно много, что позволяет формировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена на собственный выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Мощный импульсный блок питания любого компьютера построен по такой схеме, которая имеет высокую надежность и безопасность. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 Вольт, поскольку эти значения требуют максимально точной стабилизации.

Использование трансформаторов для преобразования напряжения высокой частоты (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило многократно снизить их габариты и массу и использовать в качестве материала сердечника (магнитопровода) не электротехническое железо, а ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой.

На основе широтно-импульсной модуляции построены также преобразователи постоянного тока. Без использования инверторных схем преобразование было связано с большими трудностями.

Схема БП

В схему самой распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

сетевой помехоподавляющий фильтр;
выпрямитель;
сглаживающий фильтр;
широтно-импульсный преобразователь;
ключевые транзисторы;
выходной высокочастотный трансформатор;
выходные выпрямители;
выходные индивидуальные и групповые фильтры.

Назначение помехоподавляющего фильтра состоит в задерживании помех от работы устройства в питающую сеть. Коммутация мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком спектре частот. Поэтому здесь необходимо в качестве проходных конденсаторов фильтрующих звеньев использовать разработанные специально для этой цели элементы.

Выпрямитель служит для преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а установленный следом сглаживающий фильтр устраняет пульсации выпрямленного напряжения.

В том случае когда используется преобразователь постоянного напряжения, выпрямитель и фильтр становятся ненужными, и входной сигнал, пройдя цепи помехоподавляющего фильтра, подается непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ является самой сложной частью схемы импульсного источника питания. В его задачу входят:

генерация высокочастотных импульсов;
контроль выходных параметров блока и коррекция импульсной последовательности в соответствии с сигналом обратной связи;
контроль и защита от перегрузок.

Сигнал с ШИМ подается на управляющие выводы мощных ключевых транзисторов, включенных по мостовой или полумостовой схеме. Силовые выводы транзисторов нагружены на первичную обмотку выходного трансформатора высокой частоты. Вместо традиционных биполярных транзисторов используются IGBT- или MOSFET-транзисторы, которые отличаются малым падением напряжения на переходах и высоким быстродействием. Улучшенные параметры транзисторов способствуют уменьшению рассеиваемой мощности при одинаковых габаритах и технических параметрах конструкции.

Выходной импульсный трансформатор использует одинаковый с классическим принцип преобразования. Исключением является работа на повышенной частоте. Как следствие, высокочастотные трансформаторы при одинаковых передаваемых мощностях имеют меньшие габариты.

Напряжение со вторичной обмотки силового трансформатора (их может быть несколько) поступает на выходные выпрямители. В отличие от входного выпрямителя, диоды выпрямителя вторичной цепи должны иметь повышенную рабочую частоту. Наилучшим образом на данном участке схемы работают диоды Шоттки. Их преимущества перед обычными:

высокая рабочая частота;
сниженная емкость p-n перехода;
малое падение напряжения.

Назначение выходного фильтра импульсного блока питания — снижение до необходимого минимума пульсаций выпрямленного выходного напряжения. Поскольку частота пульсаций намного выше, чем у сетевого напряжения, то нет необходимости в больших значениях емкости конденсаторов и индуктивности у катушек.

Сфера применения импульсного блока питания

Импульсные преобразователи напряжения применяются в большинстве случаев вместо традиционных трансформаторных с полупроводниковыми стабилизаторами. При одинаковой мощности инверторы отличаются меньшими габаритными размерами и массой, высокой надежностью, а главное — более высоким КПД и возможностью работать в широком диапазоне входного напряжения. А при сравнимых габаритах максимальная мощность инвертора в несколько раз выше.

В такой области, как преобразование постоянного напряжения, импульсные источники практически не имеют альтернативной замены и способны работать не только по понижению напряжения, но и вырабатывать повышенное, организовывать смену полярности. Высокая частота преобразования существенно облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

Малогабаритные инверторы на специализированных интегральных микросхемах используются в качестве зарядных устройств всевозможных гаджетов, а их надежность такова, что срок службы зарядного блока может превосходить время работоспособности мобильного устройства в несколько раз.

Драйверы питания на 12 Вольт для включения светодиодных источников освещения также построены по импульсной схеме.

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.

Читать еще: Грамотный демонтаж плитки со стен

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.

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.

Mail1977 › Блог › Импульсные блоки питания.Что к чему и от чего))

В последнее время мне задавалось некоторое количество вопросов по теме стабилизации напряжения.Или о том как светодиоды надо запитать.
Хочу изложить свой теоретический взгляд на взаимодействие компонентов в схеме блока питания.
В блоке питания есть микросхема.Она, в сути, является мозгом устройства.Управляет силовым ключом, либо встроенным внутрь нее, либо внешним.Силовой ключ очень быстро открываясь и закрываясь накачивает напряжение в дроссель.На выходе появляется напряжение, это напряжение надо отследить.И если напряжение на выходе достигнет нужного нам значения-надо сообщить об этом управляющей микросхеме.Она, услышав эту новость, уменьшит время открытия силового ключа.Накачка в дроссель уменьшится и на выходе напряжение начнет падать.Но схема, отслеживающая напряжение на выходе, опять сообщит микросхеме, что напряжение падает ниже нам нужного и микросхема снова увеличит время открытия силового ключа.

Схема отслеживающая, что творится на выходе блока питания, будет нами названа ОС(обратной связью).
Обратная связь эта та часть блока питания, играясь с которой, мы можем получить на выходе блока питания нужные нам вольты.
Вариантов ее схемотехники несколько.В низковольтных блоках питания, которые мы покупаем в китае и лепим в авто, обычно обратная связь это делитель напряжение(два резистора в средней точке которых должно получится определенное напряжение при нужных нам вольтах на выходе БП.)
Например микросхема ждет что на ее ножке обратной связи должно быть 1.25 вольта.На выходе БП 5 вольт.В средней точке делителя 1.25.Ура микросхема будет точно держать в узде дроссель, уменьшая или увеличивая скважность на силовом ключе так что бы на ее ножке обратной связи было всегда 1.25.
Блоки питания от сети делают тоже самое.Разница только в том что там микросхема другая.Но суть и смысл остается тот же в принципе.(различие в том что нам надо отделить физически высоковольтную часть блока от низковольтной.Значит и обратную связь надо как-то сделать так, что бы она смотрела, что там у нас на выходе низковольтном и сообщала инфу микросхеме, стоящей в высоковольтной части.
Для этого можно применить оптопару.Зачастую так и сделано.схема обратной связи смотрит на напряжение и через моргули на светодиоде, внутри оптопары, сообщает через фототранзистор, в той же оптопаре, нужные данные на высоковольтную часть БП.А именно на ножку обратной связи микросхемы.
Схема управляющая светиком оптопары сделана несколько иначе чем делитель.Зачастую на TL431.
Вот вам ссылка что нашел в инете с наскока, то и даю vprl.ru/publ/tekhnologii/…_zver_quot_takoj/9-1-0-17
Если разобрались, то думаю поняли, что делитель там тоже есть.Все с него начинается, только делитель сначала сообщает ТЛке данные, а она уже через оптопару дает отчет управляющей микросхеме.
Значит играясь делителем на выходе БП мы опять же можем напряжение опускать или поднимать…
Теперь о силе тока.Описанное мной ранее относилось к контролю напряжения.Но если мы сделаем обратную связь с контролем силы тока-получим токовый драйвер.Управляющей микросхеме важен сигнал на ее ножке, а что там на выходе, в реале, ее мало волнует.Значит отследим силу тока и как только сила тока станет выше чем нам надо-тут же отправим сигнал микросхеме, как будто у нас превышение напряжения.Глупая микросхема решит, что напряжение выше нормы и начнет его сбрасывать.А у нас то ток.Вот мы ее и накололи ха-ха.
Как отследить ток?По падению напряжения на шунте.Например берем резистор в 0.1 Ом и зная сколько было до него и сколько после-мы легко высчитываем нужные нам цифры.Например ОУ (операционный усилитель)
Легко отследит что у нас упало на резисторе и обманет БП.
Вот пример:
e-a.d-cd.net/1c6246as-960.jpg схема стабилизатора напряжения
h-a.d-cd.net/f56246as-960.jpg схема стабилизатора тока.
Тоже нарыл тут.Сдается это поделие Андрея Голубева.
Но нам не поделка важна а сам смысл.Почувствуйте разницу между этими двумя схемами.

Так же можно наколоть и сетевой блок питания.Как мы раньше уже убедились принцип один и тот же.
Не забываем что никто не отменял мощность.А она равна произведению напряжения на силу тока.А значит наш БП может выдать больше напряжение, но уже ниже силу тока.Мы тут с himiks общались и просто цифра от туда в голове засела.Например сетевой импульсный блок питания 12 вольт 2 ампера может выдать и 24 вольта но уже 1 ампер.Потому что он 24 Ватта.И он каким был таким и остался.Главное что бы выходная часть не развалилась от перенапряжения, конденсаторы не бабахнули))Разумеется так сильно поднимать не стоит-но процентов на 50-70 можно.
Ну и так же по падению на шунте его можно наколоть и заставить поработать драйвером.Ха-ха.

А почему же тогда есть микросхемы, которые именно под драйверы используют, а есть под стабилизаторы напряжения?Да просто там в микросхеме драйвера сам шунт и операционник уже встроены в ее потроха, только и всего.
Хотелось бы еще о стабилизаторе напряжения поговорить, особенно большая и больная тема, когда в авто от 10-14 и до 16 вольт, а на выходе нам надо 12 вольт.Что бы 100500 км говноленты светодиодной на авто накрутить и радоваться)))
Сложность в том что там надо и повышать и понижать в одном устройстве.А обычно блоки питания такого плана или повышают или понижают, но не все вместе.
Есть способ выкрутиться.воспользуемся топологией SEPIC (single-ended primary inductor converter)
Что первое нашел то и даю.
meta-kot.livejournal.com/14245.html?thread=15525
Там кстати есть схема стабилизатора и тока и напряжения.

И вот еще что нашел.
Интересный способ обмануть судьбу.Я вот как-то увидел TPS63061 и на ее основе s7v7f5.И подумал, а зачем там столько кондеров, и почему дроссель изолирован от нагрузки.И закралась подозрительная мыслишка, которая мне позволила найти вот этот рисунок.
radiokot.ru/forum/downloa…81ab400c2698604a238ba4be3
(нет что бы даташит изучить))не наш метод)
Разумеется что там сам принцип.Нет делителя на обратной связи.И я бы еще ввел защиту от низкого напряжения на той же TL431.Если внимательно прочитали писанину выше.То сами догадаетесь где делитель и как сделать защиту по просадкам входного напряжения.))

Ну а это так, для общего понимания.Если хочется вникнуть глубже-читаните open.e-voron.dp.ua/stabil…ov-na-mikrosheme-ms34063/ (там примеры для МС34063).Главное что бы крышу не снесло))Но полезное для себя найдете.Тем более, что суть и смысл остаются актуальными для любых микросхем такого плана.
Эх как-то без картинок получилось…
Ладно ща найду для чисто поржать…

Вот так же может начать выглядеть и ваш БП, если вы не зная теории, полезете к нему с практикой.
А если это сетевой БП то все манипуляции производите с выключенным из сети БП.А то и сам мастер, в вашем лице, может принять такой вид.Входная часть такого блока находится под напряжением в 300 вольт.Не прикасайтесь пальцами к компонентам блока питания, находящимся в высоковольтной части.Не буду напирать на проверку отсутствия заряда в питающем конденсаторе, если сетевой БП не исправен и вы лезете к нему с ремонтом, значит вы и так уже все знаете и понимаете.(я предупредил, так что все на ваш страх и риск)

Читать еще: Параллельное соединение розеток

ИМПУЛЬСНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ

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.

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.

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.

Импульсный блок питания — как он устроен?

Импульсные блоки питания (ИБП), при всей научной серьезности своего названия, являются очень хорошо знакомыми нам устройствами. Мы постоянно пользуем ими, когда ставим на зарядку сотовые телефоны или подключаем к сети компьютеры и ноутбуки. ИБП встроены также и в цоколи энергосберегающих ламп, и в телевизоры, и в источники бесперебойного питания (которые тоже обозначаются сокращением ИБП) — но тем не менее, до сих пор так и не вытеснили старые добрые трансформаторные стабилизаторы напряжения. Отчего ж так? Чем хороши импульсные блоки питания и какие у них есть недостатки? Попробуем разобраться.

Что во что преобразуется в ИБП?

Начнем с главного различия между трансформаторным и импульсным блоком питания. Если совсем коротко, то они сводятся к тому, что трансформаторный блок питания занимается тем, что преобразует переменный электрический ток одного напряжения в ток другого напряжения той же частоты (например — 127 вольт в 220 вольт при частоте 50 герц).

Он же может «следить» за тем, чтобы напряжение на выходе не колебалось вслед за его колебаниями на входе (в таком случае трансформаторный блок питания называется стабилизатором напряжения) — но все равно «главным героем» в трансформаторном блоке питания остается именно трансформатор.

А вот с импульсным блоком питания все иначе — поступающий из сети переменный электрический ток он сперва выпрямляет, а затем преобразует в ток совсем другой частоты и напряжения.

Начнем с того, как происходит выпрямление электрического тока.

Таким образом, при смене полярности тока в сети, через нарузку после выпрямителя ток всегда будет идти в одном направлении. Теперь от этого постоянного тока будет работать импульсный блок, который будет иметь примерно такую схему:

При всей внешней сложности этой схемы, мы может ее увидеть наяву, если вскроем зарядное устройство для сотового телефона. Выглядеть она будет в готовом виде так, как показано на картинке.

Это зарядное устройство, которое преобразует переменный ток напряжением 220 вольт из розетки в постоянный ток зарядки сотового телефона или планшета напряжением 5 вольт.

Если бы нам потребовалось снизить напряжение с 220 до 5 вольт, то нам бы потребовался внушительных размеров трансформатор, который еще и работал бы с КПД порядка 65-70%

При этом, как видно из схемы, совсем без трансформатора в устройстве все-таки не обошлось.

Однако размеры трансформатора в импульсном блоке питания будут несопоставимо меньшими, поскольку чем выше частота тока, тем выше эффективность трансформатора и тем ниже требования к его сердечнику. Поэтому трансформатор в ИБП превращается в совсем небольшое «колечко».

Импульсные блоки питания обладают значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %) и гораздо меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску ключевых транзисторов высокой мощности. Поэтому блоки питания в домашних компьютерах, оргтехнике и прочей бытовой электронике сейчас почти все импульсные.

ИБП для ИБП

Широкое распространение импульсных блоков питания в домашней электронике имеет еще одну причину. В бытовых компьютерах они, как правило, являются частью т.н. «имульсных блоков», которые должны обезопасить оборудование на случай внезапного и полного отключения электричества.

Такое устройство (в просторечии именуемое еще просто «бесперебойникоом») включает в себя несколько элементов, в том числе:

аккумулятор, дающий напряжение в 24 или 36 вольт;
импульсный блок питания для компьютера, который преобразует переменный ток в постоянный;
микроустройства, которое контролирует заряд батареи
системы для подзарядки аккумулятора;

И если в вашем доме вдруг погас свет, то бесперебойник, связаный с ИБП даст вам несколько минут времени для того, чтобы сохранить данные и выключить компьютер в штатном режиме.

Кроме того, как уже говорилось, импульсные блоки питания, могут преобразовывать постоянный ток в переменный ток самой разной частоты при сохранении постоянного напряжения. Это обстоятельство позволяет прочей домашней электронике (например — телевизорам) стабильно работать даже при существенных колебаниях напряжения в электросети.

У всех свои недостатки

Тем не менее, при всех своих достоинствах, импульсные блоки питания все-таки «прячутся» в корпусах бытовой электроники или строго рассчитываются на зарядку одного телефона.

Причина этого в том, что токи высокой частоты, которые генерируют импульсные блоки питания, порождают электромагнитые колебания, которые воспринимаются другим электронным оборудованием, как помехи. При преобразованиях токов небольшой мощности этот эффект не слишком заметен и может быть достаточно легко нейтрализован различными блокировками. Но при большой мощности тока помехи непременно дадут себя знать.

Кроме того, у импульсных блоков питания есть еще одна особенность — они хорошо работают только в достаточно узком диапазоне мощности. При минимальной или увеличенной нагрузке у ИБП возникают проблемы с работой транзисторов.

Поэтому импульсный блок питания будет хорош в телевизоре или компьютере, чья потребляемая мощность всегда примерно одинакова, но не подойдет для стабилизатора напряжения, предназначенного для подключения нескольких нагрузок.

голоса

Рейтинг статьи