Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
12 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы импульсного источника питания с ШИМ

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.

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.

Читать еще:  Тонкости крепления бруса к стене

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.

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

Импульсный блок питания

Для обычного человека, не вникающего в электронику, был незаметен переход всех питающих устройств с линейных на импульсные. Именно импульсные источники (ИИП) питания устанавливаются во всей современной аппаратуре. Основная причина перехода на такой тип преобразователей напряжения — это уменьшение габаритов. Так как всё время, с начала появления и изобретения, электронные приборы требуют постоянного уменьшения их размеров. На рисунке изображен для сравнения габариты обычного и импульсного источника постоянного тока. Не вооруженным глазом видны различия в размерах.

Принцип действия ИИП и его устройство

Импульсный источник питания — это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты. В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора. Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением. Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц. Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

При этом импульсные трансформаторы, в отличие от обычных линейных, имеют ферритовый сердечник магнитопровода, а не стальной из пластин. И также современные блоки питания работающие по этому принципу состоят из:

  1. выпрямителя сетевого напряжения;
  2. генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
  3. преобразователя постоянного стабилизированного напряжения.

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания. Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

Даже при работе на таких частотах эти импульсные устройства вырабатывают высокочастотные помехи. А чем больше их в одном помещении или в одном закрытом помещении тем больше их в радиочастотах. Для поглощения этих негативных влияний и помех устанавливаются специальные помехоподавляющие фильтры на входе устройства и на его выходе.

Это наглядный пример современного импульсного блока питания применяемого в персональных компьютерах.

A — входной выпрямитель. Могут применяться полумостовые и мостовые схемы. Ниже расположен входной фильтр, имеющий индуктивность;
B — входные с довольно большой емкостью сглаживающие конденсаторы. Правее установлен радиатор высоковольтных транзисторов;
C — импульсный трансформатор. Правее смонтирован радиатор низковольтных диодов;
D — катушка выходного фильтра, то есть дроссель групповой стабилизации;
E — конденсаторы выходного фильтра.
Катушка и большой жёлтый конденсатор, находящиеся ниже E, являются компонентами дополнительного входного фильтра, установленного непосредственно на разъёме питания, и не являющегося фрагментом основной печатной платы.

Если схему радиолюбитель изобретает сам то он обязательно заглядывает в справочник по радиодеталям. Именно справочник является основным источником информации в данном случае.

Обратноходовой импульсный источник питания

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

  1. Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
  2. Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

  1. Значительное снижение габаритов и массы устройств;
  2. Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
  3. Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
  4. Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
  5. Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

  1. Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
  2. Нежелательная работа их без нагрузки;
  3. Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники. Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться. ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Видео о работе импульсного источника питания

ШИМ-контроллер – что за зверь такой?

В далекие, теперь уже времена прошлого века, в блоках питания для понижения или повышения напряжения применялись линейные трансформаторы. Диодный мост и электролитический конденсатор сглаживал пульсацию. Далее напряжение стабилизировалось линейными или интегральными стабилизаторами. Вес таких источников питания был достаточно большой, ничуть не меньше были и габариты. Чем большая мощность требовалась от БП, тем в несколько раз был объемнее и тяжелее сам блок питания.

Если заглянуть в современную бытовую технику, то сейчас вы увидите импульсный источник питания, или блок питания – сокращенно ИБП. В таких модулях питания используется в качестве управления специальная микросхема-контроллер Широтно-импульсной модуляции, или сокращенно ШИМ. Здесь мы и поговорим об устройстве и назначении этого элемента.

Преимущества и определения ШИМ-контроллера

ШИМ-контроллер это совокупность нескольких функциональных схем для того чтобы управлять выходными силовыми каскадами, собранными обычно на транзисторах. Управляются они исходя из той информации, которую микросхема ШИМ получает от выходных цепей. В зависимости от тока или выходного напряжения на выходе блока питания ШИМ-контроллер регулирует время открытия ключевого транзистора. Таким образом, получается замкнутый круг. Эта часть блока питания называется обратная связь или ОС.

В литературе и интернет источниках можно встретить случаи, когда ШИМ-контроллерами называют различные генераторы сигналов с регулировкой широты импульса, НО без обратной связи! К таким генераторам (на NE555 и др.) не совсем корректно применять понятие контроллер, скорее регулятор или генератор.

Широтно-импульсная модуляция – это тот метод, когда сигнал модулируется не с помощью изменения амплитуды или частоты, а с помощью длительности импульса. Далее, после интеграции импульсов при помощи LC-фильтров происходит сглаживание модулированного сигнала.

Характеристики ШИМ.

Для Широтно-модулированного сигнала характеристик всего две:

  1. Частота следования импульсов
  2. Скважность импульсов, или коэффициент заполнения. По сути это одно и то же. Разница лишь в обозначении: для скважности -это D, для заполнения используем литеру S. Коэффициент заполнения = единица / период сигнала T

T – Период сигнала

F – Частота сигнала

Таким образом, коэффициент заполнения ничто иное как интервал от периода сигнала. Отсюда следует что он (коэффициент заполнения) всегда будет меньше единицы, что не скажешь о скважности – она всегда будет больше 1.

Возьмем пример:

Частота сигнала = 50 кГц.

Период сигнала = 20 мкс.

Теперь предположим, что ключ выхода ШИМ открывается на 4 мкс. Коэффициент заполнение составит минус 20%, а скважность будет равна 5.

Конечно же, в расчет необходимо брать конструкцию ШИМ, исходя из количества силовых ключей.

Отличительные особенности импульсных и линейных БП.

Существенным преимуществом импульсных источников питания перед линейными является хороший КПД (около 90%)

Структура ШИМ

Давайте рассмотрим структуру любого ШИМ-контроллера. Хоть в своем огромном семействе разные ШИМ-ы и обладают дополнительными функциональными особенностями, но все же они все похожи.

Заглянув в микросхему, мы увидим полупроводниковый кристалл, в котором находятся следующие функциональные составляющие:

  1. Генератор последовательных импульсов.
  2. Источник опорного напряжения.
  3. Схема обратной связи (ОС), усилитель ошибки.
  4. Генератор прямоугольных импульсов, управляющий транзисторами, которые в свою очередь коммутируют силовые ключевые каскады.

Количество этих ключей, зависит от предназначения самого ШИМ-контроллера. Например, простые обратноходовые схемы построены на 1-м силовом ключе, полу мостовые на 2-х, а мостовые преобразователи на 4-х ключах.

Выбирая ШИМ-контроллер необходимо исходит из того какой ключ используется. Например, если в блоке питания в качестве выходного каскада стоит биполярный транзистор, то подойдет большая часть контроллеров. Связано это с тем, что управлять таким силовым ключом достаточно просто – подавая импульсы на базу транзистора, мы открываем и закрываем его.

А вот если мы будем использовать полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) или IGBT транзисторы, то здесь уже немного сложнее. Выходной транзистор-ключ мало того что нужно открыть – путем заряда затвора, так нам его еще надо и закрыть, естественно разряжая затвор ключа. Для таких схем используются соответствующие ШИМ-контроллеры. У них на выходе стоит 2 транзистора – один заряжает затвор ключа, а другой разряжает, замыкая его на землю.

На заметку:

Многие ШИМ-контроллеры совмещаются с силовыми ключами в один корпус. Если этот контроллер для маломощного блока питания, то выходные транзисторы устанавливаются прямо в микросхему контроллера.

В случае же если блок питания достаточно мощный, то интеграция происходит в обратную сторону – микросхема ШИМ-контроллер устанавливается в корпус силового ключа. Такую микросхему легко установить на радиатор. Соответственно количество выводов у такой микросхемы не как у транзистора.

Грубо говоря, ШИМ-контроллер представляет собой компаратор, на один из входов которого приходит сигнал обратной связи, на другой пилообразный сигнал генератора. Когда первый по амплитуде превышает второй, на выходе формируется импульс.

Тем самым ширина импульса на выходе зависит от соотношения входных сигналов. Предположим, что мы подключили более мощную нагрузку к выходу БП, и напряжение дало просадку. На обратной связи будет тоже падение. Что же произойдет?

В периоде сигнала начнет преобладать пилообразный сигнал, длительность импульсов на выходе увеличится и напряжение компенсируется. Происходит это все в доли секунды.

Частота работы генератора ШИМ-а задается RC-цепью

Пример использования ШИМ-контроллера на базе TL494 – довольно распространённой микросхемы. Далее рассмотрим назначение отдельных выводов этой микросхемы.

Давайте разберем назначение и название этих выводов:

  • Vcc (Ucc, Vss)– вывод питания микросхемы.
  • GND (Ground – земля) – земля или общий провод
  • OUT – выход контроллера. С этого вывода и выходит управляющий сигнал для переключения ключей. Иногда выходные выводы обозначают HO и LO (для полумоста)
  • Vc (Uc) – Вывод контролирующий питание. При пониженном питании возможен перегрев и выход из строя ключей. Контрольный вывод заблокирует работу контроллера в таком случае.
  • Vref – опорное напряжение, чаще всего на этот вывод вешается конденсатор, соединенный с землей.
  • ILIM – сигнал с измерителя тока. Соединен с обратной связью для ограничения тока.
  • ILIMREF – регулировочный вывод для сработки по току
  • SS – мягкий старт контроллера. Используется для плавного запуска блока питания и выхода в штатный режим работы.
  • RtCt – выводы RC-цепи, которая и задает частоту работы ШИМ.
  • CLOCK – выходной сигнал тактовых синхроимпульсов. Предназначен для синхронизации работы нескольких ШИМ-контроллеров в одной схеме.
  • RAMP – сравнивающий вывод. На нем присутствует пилообразный сигнал генератора и сигнал обратной связи для формирования ШИМ -сигнала.
  • INV и NOINV – входы компаратора, формирующие сигнал усилителя ошибки. От величины напряжения на INV зависит длительность импульса ШИМ.
  • EAOUT – дополнительный выход усилителя ошибки.
Читать еще:  Нормы по электропотреблению квартиры и частного дома

Для того чтобы закрепить сказанное выше рассмотрим пару примеров использования ШИМ-контроллеров, а так же их схем включения. Сделаем это на примере микросхем:

  • TL494
  • UC3843

Эти микросхемы часто используются в различных блоках питания, в том числе и компьютерных. Когда дело доходит до переделки компьютерного блока питания в лабораторный бп или зарядное устройство для аккумулятора, то, как раз стараются подобрать бп на TL494.

Обзор ШИМ TL494

Технические характеристики ШИМ-контроллера TL494

Ниже на рисунке дана распиновка TL494:

  1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки
  2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки
  3. Вход обратной связи
  4. Вход регулировки мертвого времени
  5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора
  6. Вывод для подключения времязадающего резистора
  7. Общий вывод микросхемы, минус питания
  8. Вывод коллектора первого выходного транзистора
  9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора
  10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора
  11. Вывод коллектора второго выходного транзистора
  12. Вход подачи питающего напряжения
  13. Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы
  14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт
  15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки
  16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки

Обзор микросхемы UC3843

Еще одна популярная микросхема используемая в качестве ШИМ-контроллеров компьютерных и не только блоков питания – это микросхема 3843. распиновка её находится ниже. Как видно, у нее 8 выводов, но функции такие же как у TL949. Можно встретить эту микросхему в 14-выводном корпусе и часть выводов у неё (NC) – то есть не используется.

Рассмотрим назначение выводов:

  1. Вход компаратора (усилителя ошибки).
  2. Вход напряжения обратной связи. Это напряжение сравнивается с опорным внутри ИМС.
  3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.
  4. Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.
  5. Общий.
  6. Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.
  7. Напряжение питания микросхемы.
  8. Выход источника опорного напряжения (5В, 50 мА)

Структура микросхемы UC3843

Можно заметить, что и эта микросхема тоже похожа на все остальные ШИМ-контроллеры.

Простой блок питания на UC3842

Микросхема ШИМ с силовым ключом в одном корпусе

Подобные ШИМ-контроллеры используются как в импульсных блоках питания на базе импульсного трансформатора, так и в DC-DC понижающих или повышающих преобразователях.

Можно привести в пример одну из самых распространенных микросхем в этом сегменте – LM2596. На её базе можно найти большое количество схем преобразователей, в том числе и изображенная ниже.

LM2596 включает в себя все технические решения, описанные выше, плюс в неё еще интегрирован силовой ключ на ток до 3 Ампер.

Структура микросхемы LM2596

Как можно увидеть больших отличий от микросхем, которые мы рассматривали ранее в ней нет.

Еще один пример блока питания для светодиодных лент на ШИМ-контроллере 5L0380R – У неё всего 4 вывода. Как можно заметить в схеме отсутствует силовой ключ. Естественно он в микросхеме, а сама микросхема выполнена в корпусе транзистора и крепится на радиатор.

Изучая ШИМ-контроллеры можно сделать несколько выводов: Если мы имеем дело с мощным источником питания и нам необходима достаточная гибкость использования этого контроллера, то такая микросхема как TL494 (и подобные) подходит для таких задач лучше. А если блок питания средней и невысокой мощности, то вполне свою роль выполнят ШИМ-контроллеры с интегрированными в них силовыми ключами. В таких бп нет больших требований к пульсациям и помехам, а выходные цепи можно сгладить фильтрами. Обычно это блоки питания для бытовой техники, светодиодных лент, ноутбуков, зарядных адаптеров.

И напоследок.

Ранее мы уже говорили о том, что ШИМ-контроллер это механизм, который на базе сформированных импульсов за счет изменения ширины импульсов формирует среднее значение напряжения управляемое с цепей обратной связи. Хочу заметить, что классификация и название у каждого автора могут быть абсолютно разными. ШИМ-контроллером могут называть простой регулятор напряжения. В то же время сам ШИМ-контроллер в блоке питания может быть назван – “блокинг-генератор”, “интегральный субмодуль”, “задающий генератор” От того как его назвал тот или иной автор суть не меняется, но могут возникнуть непонимания и разночтения.

Принцип работы импульсного источника питания с ШИМ

Импульсные источники питания (ИИП) обычно являются достаточно сложными устройствами, из-за чего начинающие радиолюбители стремятся их избегать. Тем не менее, благодаря распространению специализированных интегральных ШИМ-контроллеров, есть возможность конструировать достаточно простые для понимания и повторения конструкции, обладающие высокими показателями мощности и КПД. Предлагаемый блок питания имеет пиковую мощность около 100 Вт и построен по топологии flyback (обратноходовой преобразователь), а управляющим элементом является микросхема CR6842S (совместимые по выводам аналоги: SG6842J, LD7552 и OB2269).

Внимание! В некоторых случаях для отладки схемы может понадобится осциллограф!

Технические характеристики

Размеры блока: 107х57х30 мм (размеры готового блока с Алиэкспресс, возможны отклонения).
Выходное напряжение: версии на 24 В (3-4 А) и на 12 В (6-8 А).
Мощность: 100 Вт.
Уровень пульсаций: не более 200 мВ.

На Али легко найти множество вариантов готовых блоков по этой схеме, например, по запросам вида «Artillery power supply 24V 3A», «Блок питания XK-2412-24», «Eyewink 24V switching power supply» и тому подобным. На радиолюбительских порталах данную модель уже окрестили «народной», ввиду простоты и надёжности. Схемотехнически варианты 12В и 24В различаются незначительно и имеют идентичную топологию.

Обратите внимание! В данной модели БП у китайцев весьма высок процент брака, поэтому при покупке готового изделия перед включением желательно тщательно проверять целостность и полярность всех элементов. В моём случае, например, диод VD2 имел неверную полряность, из-за чего уже после трёх включений блок сгорел и мне пришлось менять контроллер и ключевой транзистор.

Подробно методология проектирования ИИП вообще, и конкретно этой топологии в частности, тут рассматриваться не будет, ввиду слишком большого объёма информации — см. отдельные статьи.

Далее подробно разберём назначение элементов в схеме.


Импульсный блок питания мощностью 100Вт на контроллере CR6842S.

Назначение элементов входной цепи

Рассматривать схему блока будем слева-направо:

F1Обычный плавкий предохранитель.
5D-9Терморезистор, ограничивает бросок тока при включении блока питания в сеть. При комнатной температуре имеет небольшое сопротивление, ограничивающее броски тока, при протекании тока разогревается, что вызывает снижение сопротивления, поэтому в дальнейшем не влияет на работу устройства.
C1Входной конденсатор, для подавления несимметричной помехи. Ёмкость допустимо немного увеличить, желательно чтобы он был помехоподавляющим конденсатором типа X2 или имел большой (10-20 раз) запас по рабочему напряжению. Для надёжного подавления помех должен иметь низкие ESR И ESL.
L1Синфазный фильтр, для подавления симметричной помехи. Состоит из двух катушек индуктивности с одинаковым числом витков, намотанных на общем сердечнике и включенных синфазно.
KBP307Выпрямительный диодный мост.
R5, R9Цепочка, необходимая для запуска CR6842. Через неё осуществляется первичный заряд конденсатора C4 до 16.5В. Цепь должна обеспечивать ток запуска не менее 30 мкА (максимум, согласно даташиту) во всём диапазоне входных напряжений. Также, в процессе работы посредством этой цепочки осуществляется контроль входного напряжения и компенсация напряжения при котором закрывается ключ — увеличение тока, втекающего в третий пин, вызывает понижение порогового напряжения закрытия ключа.
R10Времязадающий резистор для ШИМ. Увеличение номинала данного резистора уменьшит частоту переключения. Номинал должен лежать в пределах 16-36 кОм.
C2Сглаживающий конденсатор.
R3, C7, VD2Снабберная цепь, защищающая ключевой транзистор от обратных выбросов с первичной обмотки трансформатора. R3 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C3Конденсатор, шунтирующий межобмоточную ёмкость. В идеале должен быть Y-типа, либо же должен иметь большой запас (15-20 раз) по рабочему (сетевому!) напряжению. Служит для уменьшения помех. Номинал зависит от параметров трансформатора, делать слишком большим нежелательно.
R6, VD1, C4Данная цепь, запитываясь от вспомогательной обмотки трансформатора образует цепь питания контроллера. Также данная цепь влияет на цикл работы ключа. Работает это следующим образом: для корректной работы напряжение на седьмом выводе контроллера должно находиться в пределах 12.5 — 16.5 В. Напряжение 16.5В на этом выводе является порогом, при котором происходит открытие ключевого транзистора и энергия начинает запасаться в сердечнике трансформатора (в это время микросхема питается от C4). При понижении ниже 12.5В микросхема отключается, таким образом конденсатор C4 должен обеспечивать питание контроллера пока из вспомогательной обмотки не поступает энергии, поэтому его номинала должно быть достаточно чтобы удерживать напряжение выше 12.5В пока ключ открыт. Нижний предел номинала C4 следует рассчитывать исходя из потребления контроллера около 5 мА. От времени заряда данного конденсатора до 16.5В зависит время закрытого ключа и определяется оно током, который может отдать вспомогательная обмотка, при этом ток ограничивается резистором R6. Кроме всего прочего, посредством данной цепи в контроллере предусмотрена защита от перенапряжения в случае выхода из строя цепей обратной связи — при превышении напряжения выше 25В контроллер отключится и не начнёт работать пока питание с седьмого пина не будет снято.
R13Ограничивает ток заряда затвора ключевого транзистора, а также обеспечивает его плавное открытие.
VD3Защита затвора транзистора.
R8Подтяжка затвора к земле, выполняет несколько функций. Например, в случае отключения контроллера и повреждения внутренней подтяжки данный резистор обеспечит быстрый разряд затвора транзистора. Также, при корректной разводке платы обеспечит более короткий путь тока разряда затвора на землю, что должно положительно сказаться на помехозащищённости.
BT1Ключевой транзистор. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R7, C6Цепь служит для сглаживания колебаний напряжения на токоизмерительном резисторе.
R1Токоизмерительный резистор. Когда напряжение на нём превышает 0.8В контроллер закрывает ключевой транзистор, таким образом регулируется время открытого ключа. Кроме того, как уже говорилось выше, напряжение при котором будет закрыт транзистор также зависит от входного напряжения.
C8Фильтрующий конденсатор оптопары обратной связи. Допустимо немного увеличить номинал.
PC817Опторазвязка цепи обратной связи. Если транзистор оптопары закроется это вызовет повышение напряжения на втором выводе контроллера. Если напряжение на втором выводе будет превышать 5.2В дольше 56 мс, это вызовет закрытие ключевого транзистора. Таким образом реализована защита от перегрузки и короткого замыкания.

В данной схеме 5-й вывод контроллера не используется. Однако, согласно даташиту на контроллер, на него можно повесить NTC-термистор, который обеспечит отключение контроллера в случае перегрева. Стабилизированный выходной ток данного вывода — 70 мкА. Напряжение срабатывания температурной защиты 1.05В (защита включится при достижении сопротивления 15 кОм). Рекомендуемый номинал термистора 26 кОм (при 27°C).

Параметры импульсного трансформатора

Поскольку импульсный трансформатор это один из самых сложных в проектировании элементов импульсного блока, расчёт трансформатора для каждой конкретной топологии блока требует отдельной статьи, поэтому подробного описания методологии тут не будет, тем не менее для повторения описываемой конструкции следует указать основные параметры используемого трансформатора.

Следует помнить, что одно из важнейших правил при проектировании — соответствие габаритной мощности трансформатора и выходной мощности блока питания, поэтому первым делом, в любом случае, выбирайте подходящие вашей задаче сердечники.

Чаще всего данная конструкция поставляется с трансформаторами, выполненными на сердечниках типа EE25 или EE16, либо аналогичных. Собрать достаточно информации по количеству витков в данной модели ИИП не удалось, поскольку в разных модификациях, несмотря на схожие схемы, используются различные сердечники.

Увеличение разницы в количестве витков ведёт к уменьшению потерь на переключение ключевого транзистора, но повышает требования к его нагрузочной способности по максимальному напряжению сток-исток (VDS).

Для примера, будем ориентироваться на стандартные сердечники типа EE25 и значение максимальной индукции Bmax = 300 мТ. В этом случае соотношение витков первой-второй-третьей обмотки будет равно 90:15:12.

Следует помнить, что указанное соотношение витков не является оптимальным и возможно потребуется корректировка соотношений по результатам испытаний.

Первичную обмотку следует наматывать проводником не тоньше 0.3мм в диаметре. Вторичную обмотку желательно выполнять сдвоенным проводом диаметром 1мм. Через вспомогательную третью обмотку течёт малый ток, поэтому провода диаметром 0.2мм будет вполне достаточно.

Описание элементов выходной цепи

Далее кратко рассмотрим выходную цепь источника питания. Она, в общем-то, совершенно стандартна, от сотен других отличается минимально. Интересна может быть лишь цепочка обратной связи на TL431, но её мы тут подробно рассматривать не будем, потому что про цепи обратной связи есть отдельная статья.

VD4Сдвоенный выпрямительный диод. В идеале подбирать с запасом по напряжениютоку и с минимальным падением. Устанавливается на радиатор через изолирующую прокладку.
R2, C12Снабберная цепь для облегчения режима работы диода. R2 желательно использовать мощностью не менее 1Вт.
C13, L2, C14Выходной фильтр.
C20Керамический конденсатор, шунтирующий выходной конденсатор C14 по ВЧ.
R17Нагрузочный резистор, обеспечивающий нагрузку для холостого хода. Также через него разряжаются выходные конденсаторы в случае запуска и последующего отключения без нагрузки.
R16Токоограничивающий резистор для светодиода.
C9, R20, R18, R19, TLE431, PC817Цепь обратной связи на прецизионном источнике питания. Резисторы задают режим работы TLE431, а PC817 обеспечивает гальваническую развязку.

Что можно улучшить

Вышеописанная схема обычно поставляется в готовом виде, но, если собирать схему самому, ничто не мешает немного улучшить конструкцию. Модифицировать можно как входные, так и выходные цепи.

Если в ваших розетках земляной провод имеет соединение с качественной землёй (а не просто ни к чему не подключен, как это часто бывает), можно добавить два дополнительных Y-конденсатора, соединённых каждый со своим сетевым проводом и землёй, между L1 и входным конденсатором C1. Это обеспечит симметрирование потенциалов сетевых проводов относительно корпуса и лучшее подавление синфазной составляющей помехи. Вместе с входным конденсатором два дополнительных конденсатора образуют т.н. «защитный треугольник».

После L1 также стоит добавить ещё один конденсатор X-типа, с той же ёмкостью что у C1.

Для защиты от импульсных бросков напряжения большой амплитуды целесообразно параллельно входу подключать варистор (например 14D471K). Также, если у вас есть земля, для защиты в случае аварии на линии электроснабжения, при которой вместо фазы и нуля фаза попадаётся на оба провода, желательно составить защитный треугольник из таких же варисторов.


Защитный треугольник на варисторах.

При повышении напряжения выше рабочего, варистор снижает своё сопротивление и ток течёт через него. Однако, ввиду относительно низкого быстродействия варисторов, они не способны шунтировать скачки напряжения с быстро нарастающим фронтом, поэтому для дополнительной фильтрации быстрых скачков напряжения желательно параллельно входу подключать также двунаправленный TVS-супрессор (например, 1.5KE400CA).

Опять же, при наличии земляного провода, желательно добавить на выход блока ещё два Y-конденсатора небольшой ёмкости, включенных по схеме «защитного треугольника» параллельно с C14.

Для быстрой разрядки конденсаторов при отключении устройства параллельно входным цепям целесообразно добавить мегаомный резистор.

Каждый электролитический конденсатор желательно зашунтировать по ВЧ керамикой малой ёмкости, расположенной максимально близко к выводам конденсатора.

Ограничительный TVS-диод будет не лишним поставить также и на выход — для защиты нагрузки от возможных перенапряжений в случае проблем с блоком. Для 24В версии подойдёт, например 1.5KE24A.

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.

Читать еще:  Как быстро снять старую краску со стен и потолка без грязи и пыли

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)

Импульсный блок питания

Что же это за ИИП такое?!

Импульсные блоки питания (англ. Switching Power Supply) вновь и вновь становятся предметом дискуссий, споров, а их проектирование и конструирование вызывают некоторые затруднения в радиолюбительских кругах. Все чаще именно к импульсным устройствам питания обращаются взоры домашних радиомастеров, поскольку они обладают целым рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с традиционными трансформаторными блоками. Однако многие радиолюбители, в частности начинающие, не решаются собирать их, несмотря на их повсеместное применение в современном радиоэлектронном производстве.

Причин тому масса. От непонимания принципов действия до сложности схемотехники импульсных блоков вторичного питания. Некоторые просто напросто не могут найти требующуюся радиоэлементную базу. А вот опытные радиоинженеры давно уже отказались от тяжелых габаритных трансформаторов электропитания в бытовой компактной электронике.

Но если для дома применение трансформаторных источников электропитания ещё как то оправдано, то, к примеру, в автомобиле, в дороге, в полевых условиях и т.п. трансформатор вообще бесполезен.

Здесь на выручку приходят импульсные преобразователи напряжения. Они способны черпать электроэнергию буквально от любого аккумулятора или батареи гальванических элементов постоянного тока и преобразовывать ее в нужное напряжение с максимальной мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Согласитесь, когда вы путешествуете любым видом транспорта, и поблизости нет розетки, чтобы подключить к ней зарядное устройство в целях подзарядить севший аккумулятор цифрового фотоаппарата, сотового телефона, цифровой видеокамеры, плеера и мн. др. это, по меньшей мере, доставляет массу неудобств. А сколько раз уже можно было запечатлеть цифровиком что-то понравившееся и тут же отправить с помощью телефона родным и друзьям.

А всего лишь и требуется, что спаять несложную схему импульсного преобразователя напряжения на печатной плате, способной уместиться в ладони, и прихватить с собой пару пальчиковых батареек. Вот и все, что нужно для счастья!

Литературный ликбез на тему ИБП

Однако не будем увлекаться, а перейдем непосредственно к сути статьи. Мы уже не раз рассказывали про теоретические и практические аспекты конструирования в домашних условиях импульсных блоков питания, например, Импульсный преобразователь, Импульсный источник питания, Автомобильный преобразователь напряжения и др; излагали методики расчета трансформаторов, делились полезной литературой по силовой электронике, рекомендуемой для прочтения не только начинающим электронщикам, например, Импульсные источники питания, Расчет силового трансформатора; а в статье Схема преобразователя мощностью 1000 ВА развернулся целый, можно сказать, диспут по переделке схемы.

Ну а сегодня ответим на вопрос, заданный одним из радиолюбителей:

а есть что-то на питание +/-25 — 30 вольт (двухполярное) на 4 тройки выводов для запитки УМЗЧ — 4 x TDA7293? Мощностью ватт на 550-600 … для питания от электросети (

По этому поводу решили даже отдельную статью опубликовать, дабы показать общие теоретические принципы разработки импульсных блоков питания.

Изложенный материал с заострением внимания на отдельных вопросах проектирования и схемотехники импульсных блоков вторичного электропитания призван показать радиолюбителям весь алгоритм их расчета. Все технические, конструкторские, схемные дополнения и решения по мере необходимости будут выкладываться ниже в комментариях. Всех заинтересованных электронщиков и опытных радиоинженеров просим принять участие в обсуждении импульсных блоков питания.

Начнем, пожалуй…

Итак, для начала в общих чертах обозначим, какие основные модули есть в любом импульсном блоке электропитания. В типовом варианте импульсный блок питания условно можно разделить на три функциональные части. Это:

1. ШИМ(PWM)-контроллер, на базе которого собирается задающий генератор обычно с частотой около 30…60 кГц;

2. каскад силовых ключей, роль которых могут выполнять мощные биполярные, полевые или IGBT (биполярные с изолированным затвором) транзисторы; этот силовой каскад может включать в себя дополнительную схему управления этими самыми ключами на интегральных драйверах или маломощных транзисторах; также важна схема включения силовых ключей: мостовая (фул-бридж), полумостовая (халф-бридж) или со средней точкой (пуш-пул);

3. импульсный трансформатор с первичной(ыми) и вторичной(ыми) обмоткой(ами) и, соответственно, выпрямительными диодами, фильтрами, стабилизаторами и проч. на выходе; в качестве сердечника обычно выбирается феррит или альсифер; в общем, такие магнитные материалы, которые способны работать на высоких частотах (в некоторых случаях свыше 100 кГц).

Вот, собственно, и все, что нужно для сборки импульсного блока питания. Выше на фото основные части ИБП выделены. Для наглядности выделим эти модули и на электрической принципиальной схеме любого импульсного блока питания. Для примера:

К слову, здесь силовой каскад включен по схеме со средней точкой.

Теперь помодульно будем разрабатывать схемотехническое решение будущего устройства.

Для начала определимся с задающим генератором.

Если быть точнее, то с ШИМ-контроллером. В настоящее время, как вы понимаете, их существует огромное количество. Здесь, пожалуй, основными критериями выбора являются доступность и цена вопроса. Нам нужен не любой генератор, а именно с широтно-импульсной модуляцией. Принцип работы, если в двух словах, то «есть/нет сигнала». На выходе контроллера либо единица (высокий уровень) либо ноль (низкий уровень).

В соответствии с этим выходные транзисторы открыты либо закрыты, подают напряжение на катушку импульсного трансформатора либо нет. Причем происходит такое переключение с высокой периодичностью (как указывалось ранее, обычно частота 30…60 кГц).

Настраивается частота в зависимости от потребностей проектировщика внешней цепью обвязки ШИМ-контроллера, состоящей, как правило, из резисторов и конденсаторов. Вот недавно даже наткнулся на идею использования в качестве источника ШИМ COM порт компьютера. Ну да ладно… Для нашего будущего блока питания возьмем ШИМ-контроллер К1156ЕУ2. Но это не принципиально. Можно взять практически любой двухтактный контроллер. Например, один из наиболее распространенных TL494. Схема задающего генератора на его базе показана выше. Вообще, типовую схему включения любой другой микросхемы можно найти в технической документации на нее (datasheet).

Расчет частоты импульсов блока питания

Контроллер К1156ЕУ2 предназначен для использования в качестве схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания, работающими на частоте до 1 МГц. Благодаря высокому быстродействию микросхема нашла широкое применение и хорошо себя зарекомендовала. В случае отсутствия отечественного варианта контроллера его можно заменить на аналоги типа UC1825, UC2825, UC3825. Полумостовые выходные каскады контроллера спроектированы для работы на большую емкостную нагрузку, например, затворы мощных МОП-транзисторов, и коммутируют как втекающий, так и вытекающий ток. Описание выводов К1156ЕУ2 следующее:

Стоит отметить также, что частота импульсов зависит он номиналов резистора и конденсатора на 5 и 6 выводах микросхемы. Причем за паузу (так называемое, мертвое время) между импульсами отвечает емкость конденсатора. А это прямо сказывается на обеспечении одновременного закрытия выходных ключей, дабы избежать сквозных токов. Вопрос особенно актуален при больших мощностях. Сопротивление резистора выбирается из диапазона 3…100 кОм, емкость конденсатора – 0,47…100 нФ. Номограммы для подбора этих радиодеталей ниже на рисунке:

Таим образом, для обеспечения мертвого времени в ?1,5 мкс (чтобы снизить вероятность появления сквозных токов через MOSFET в силовом каскаде) понадобится конденсатор емкостью 15 нФ (0,015мкФ или 15000 пФ). Теперь смотрим на левый график. О частоте дополнительно будет сказано ниже. На данном этапе в качестве номинальной примем 60 кГц. Значит резистор для нашего задающего генератора нужен номиналом ?3 кОм. Поставим подстроечный на 4,7 кОм. Им можно будет слегка повышать частоту, тем самым повышая мощность блока питания в целом.

Синхронизация двух и более ШИМ-контроллеров

Важной функцией К1156ЕУ2 является их совместное использование. Т.е. один генератор будет ведущим, а другой ведомым. Для этого существует функциональный 4 вывод синхронизации. В итоге можно получить два синхронно работающих генератора ШИМ. Применений такому способу можно найти масса. Поскольку генераторы будут работать синхронно, то каждый из них можно нагрузить отдельным выходным каскадом с силовыми ключами и импульсным трансформатором. При этом можно применить трансформаторы меньшей габаритной мощности. Так, если нам нужна общая мощность импульсного блока питания не менее 600 Вт на 4 УМЗЧ, то можно использовать два трансформатора по 300 Вт с подключенными к ним по два УМЗЧ. Соответственно, мы сможем снять часть нагрузки с транзисторов силового каскада, обмоточного провода, также нам понадобиться сердечник меньшего размера. В связи с этим можно даже сэкономить на покупке радиодеталей для будущего ИБП. Схема синхронизации двух ШИМ-контроллеров (ведущего и ведомого) выглядит так:

Однако в общеобразовательных целях ограничимся включением К1156ЕУ2 в единичном (типовом) варианте, т.к. перед нами стоит цель дать вам общие навыки разработки. А уж рациональность использования той или иной схемы, технического решения будет зависеть от цели использования импульсного блока питания.

С первым функциональным модулем будущего блока вторичного электропитания разобрались. Окончательно принимаем схемотехнический вариант генератора на К1156ЕУ2, как показано на рисунке выше под цифрой 1. В случае необходимости на конечной стадии проектирования номиналы деталей можно будет подкорректировать, что, собственно, не скажется на функциональной схеме генератора.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector