Структурная схема импульсного блока питания

2.3. Структурная схема

Структурная схема импульсного блока питания персонального компьютера конструктива ATX приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Структурная схема импульсного блока питания фирмы DTK конструктива ATX

Входное переменное напряжение 220 В, 50 Гц поступает на входной каскад импульсного преобразователя напряжения – на сетевой фильтр. Этот узел предназначен для подавления помех, возникающих в промышленной сети переменного тока и проникающих на вход данного источника питания. В направлении от данного источника питания в сеть распространяются помехи, производимые самим преобразователем и частично импульсными устройствами электронной схемы вычислительного средства. Помеха такого рода является кондуктивной, то есть может распространяться в проводах питающей сети и по проводникам вторичного питания источника. Помехи, распространяющиеся по проводам, могут быть симметричными и несимметричными. Так как заранее вид помехи предсказать трудно, то схема фильтра строится в расчете на подавление обоих видов помех.

К выходу сетевого фильтра подключается выпрямитель, выполненный по двухполупериодной схеме. В его состав входит селектор входного питающего напряжения – переключатель, установленный в корпусе источника питания. Позиции переключателя обозначены на его движке. Положение переключателя определяется по маркировке, которая видна через специальное окошко. С его помощью осуществляется выбор номинала напряжения питающей сети 115 или 220 В. Нагрузкой выпрямителя являются: полумостовой усилитель мощности основного высокочастотного преобразователя напряжения первичной сети и маломощная схема автогенераторного вспомогательного источника.

Во вторичную цепь АВИ включена схема линейного параметрического стабилизатора для формирования напряжения +5 В, обеспечивающая питание элементов компьютера в течение дежурного режима.

Для гальванической развязки с вторичными напряжениями питания к усилителю мощности подключен импульсный трансформатор Т3. Позиционное обозначение трансформатора соответствует принципиальной схеме источника питания. Импульсные напряжения с вторичных обмоток трансформатора поступают на блок выпрямителей. В схемах выпрямителей вторичных напряжений используются диоды различных модификаций, что определяется номинальной токовой нагрузкой каждого отдельного канала. Во вторичном канале напряжения +3,3 В введен дополнительный стабилизатор. Регулировка и подстройка номиналов вторичных напряжений по всем каналам осуществляется с помощью системы обратной связи, вход которой подключен к выходам блока фильтров.

Для управления работой усилителя мощности в цепи обратной связи применен каскад широтно-импульсного модулятора длительности импульсов возбуждения. После сравнения поступившего сигнала с эталонным уровнем, ШИМ каскад формирует сигналы об увеличении поступления энергии во вторичную цепь или о ее сокращении. В соответствии с этим производится модуляция длительности импульсов, которые через согласующий каскад, усиливающий их, подаются на входные цепи усилителя мощности.

Воздействие на ШИМ регулятор оказывается не только при изменении вторичных напряжений в пределах диапазона регулирования, соответствующего нормальной работе, но и в случае возникновения экстренной ситуации (неконтролируемого увеличения или снижения напряжений на нагрузке). Ключевая СИП воздействует на ШИМ модулятор, блокируя его работу в случае возникновения аномальных процессов в цепи нагрузки.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

1.1. Структурные схемы импульсных источников питания

Переход на использование преимущественно импульсных источников питания обусловлен рядом технических и экономических факторов, наиболее важными из которых являются следующие:

• источники бестрансформаторного питания (ИБП) мощностью до 500 Вт имеют существенно более высокие массогабаритные характеристики по сравнению с аналогами, изготовленными на основе сетевых трансформаторов;

• обмотки трансформаторов ВЧ колебаний ИБП имеют более высокую плотность тока, при их изготовлении используется гораздо меньше цветного металла, что приводит к снижению затрат на производство и на исходные материалы;

• высокая индукция насыщения и малые удельные потери материалов сердечников ВЧ трансформаторов позволяют создавать ИБП с общим КПД, превышающим 80 %, что в обычных источниках недостижимо;

• широкие возможности по автоматической регулировке номиналов выходных вторичных напряжений посредством воздействия на первичные цепи ВЧ преобразователя.

Рассмотрим несколько примеров структурных схем построения ИБП с напряжением первичной сети 220 В, 50 Гц.

На рис. 1.1 представлена структурная схема импульсного источника питания, выполненного по достаточно традиционной схеме.

Рис. 1.1. Структурная схема нерегулируемого импульсного источника питания

Выпрямитель, фильтр и стабилизатор, имеющиеся во вторичной цепи данного источника питания, построены на основе узлов, встречающихся в обычных источниках электропитания. Названия этих узлов раскрывает их назначение и не нуждается в пояснении. Способ реализации стабилизатора (линейный или импульсный) в данном случае не так важен по сравнению с его присутствием в качестве отдельного функционального узла. Вторичная цепь электропитания в различных вариантах исполнения источника может быть дополнена еще одним фильтром, который устанавливается между стабилизатором и нагрузкой. Основными узлами первичной цепи являются: входной фильтр, выпрямитель сетевого напряжения и ВЧ преобразователь выпрямленного питающего напряжения с трансформатором TV.

Необходимость использования входного фильтра обусловлена тем, что, во-первых, этот фильтр должен устранять резкие кратковременные скачки питающего напряжения и импульсные помехи, вызванные работой расположенных поблизости импульсных устройств (ВЧ помехи) или возникающие в момент подключения или отключения от сети смежных нагрузок. Во-вторых, фильтр должен эффективно устранять помехи, проникающие в сеть непосредственно от используемого источника питания.

ВЧ трансформаторы, применяемые в ИБП, являются преобразователями импульсных колебаний с полосой частот до нескольких (если не выше) мегагерц. Передача энергии трансформатором имеет двухсторонний характер. В направлении сеть – нагрузка происходит передача колебаний ВЧ преобразователя. В обратном же направлении, то есть нагрузка – преобразователь – сеть, могут передаваться помехи, возникающие при работе нагрузочных цепей. Если, например, ИБП установлен в вычислительной системе, то эти помехи могут содержать элементы информационных составляющих обрабатываемых данных. Причем, как правило, в направлении сеть – нагрузка трансформатор действует как понижающий, и, следовательно, в обратном направлении он работает как повышающий. Если входной фильтр не установлен, то помехи, возникающие непосредственно в устройстве, будут эффективно транслироваться в сеть с частью информационной составляющей. Таким образом, входной фильтр применяется не только для устранения паразитного эффекта обратной трансформации, но и для защиты от утечки информации.

В импульсном источнике питания (см. рис. 1.1) используется каскад ВЧ преобразователя автогенераторного типа, режим автоколебаний которого определяется только значением номиналов его собственных элементов и не регулируется.

Источник питания, выполненный по схеме, приведенной на рис. 1.1, может дополнительно включать в себя датчик перегрузки, который воздействует либо на стабилизатор, либо на ВЧ преобразователь, блокируя его работу до момента устранения причины неисправности.

При правильном подборе элементной базы источник, изготовленный по данной схеме, прост в реализации – в этом его главное преимущество, однако из-за сравнительно низкого КПД используется редко. Падение КПД будет происходить при увеличении числа вторичных каналов различных напряжений, так как для каждого из них потребуется отдельный стабилизатор напряжения. Существенным недостатком схемы может быть и очень высокая чувствительность автогенераторов, совмещенных с силовым каскадом ИБП, к величине нагрузки. Ее изменение может привести к срыву ВЧ колебаний и нестабильности работы источника питания подобного рода.

Структурная схема сетевого источника питания, построенного с учетом оптимальных принципов регулирования выходного напряжения, представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структурная схема регулируемого импульсного источника питания

Принципиальное отличие данной структурной схемы от предыдущей заключается в отсутствии стабилизатора вторичного напряжения. Кроме того, в нее добавлены измерительная цепь, задающий генератор, схема управления, а также изменены функции каскада ВЧ преобразователя. Силовой каскад работает в режиме усилителя мощности колебаний, поступающих со схемы управления. Его нагрузкой является ВЧ трансформатор. Здесь ВЧ преобразователем можно назвать совокупность следующих узлов: задающий генератор, схема управления, ВЧ усилитель мощности, ВЧ трансформатор (TV). Источник, выполненный в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 1.2, одновременно осуществляет две функции – преобразование и стабилизацию напряжения. Схема управления включает в себя широтно-импульсный модулятор и полностью определяет режим работы УМ. Выходное напряжение схемы управления имеет форму прямоугольных импульсов. Изменение длительности паузы между этими импульсами регулирует поступление энергии во вторичную цепь. Исходные параметры для работы схемы управления – это сигналы ошибки, поступающие от измерительной цепи, в которой производится сравнение эталонного значения напряжения с реальным, присутствующим в данный момент на нагрузке. По сигналу ошибки схема управления изменяет длительность паузы между импульсами в сторону ее увеличения или уменьшения, в зависимости от величины отклонения реального значения напряжения от номинального. В частности, в схему управления может входить узел защиты каскада УМ от перегрузки и короткого замыкания.

Наличие ШИМ передаваемого напряжения предъявляет определенные требования к параметрам и построению сглаживающего фильтра выпрямленного вторичного напряжения. Первым элементом данного фильтра после выпрямителя должна быть катушка индуктивности в каждом канале вторичного напряжения.

На схеме, показанной на рис. 1.2, представлена структура одноканальной системы питания, реальные же источники имеют, как правило, несколько вторичных каналов с различной нагрузочной способностью. Измерительная цепь в таких случаях подключается к каналу с самым большим потреблением. Стабилизация остальных каналов производится с помощью отдельных стабилизаторов или методов регулирования, основанных на взаимодействии магнитных потоков. В других случаях применяются схемы выходных фильтров, выполненных на общем для всех выходных каналов магнитопроводе. Подстройка напряжения по не основным каналам может производиться в небольшом диапазоне и при относительно малых изменениях нагрузки. При описании практических схем реализации БП вопросы стабилизации вторичных напряжений одновременно по нескольким каналам будут рассмотрены более подробно.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Импульсные блоки питания

Импульсный блок питания

Первоначальное распространение импульсные блоки питания (ИПБ) получили преимущественно в телевизорах, в дальнейшем — в видеомагнитофонах, видеоаппаратуре и другой бытовой технике, что объясняется в основном двумя причинами. Во первых, чувствительность телевизоров и видеомагнитофонов к создаваемым импульсным БП помехам значительно ниже, чем например, аппаратуры звуковоспроизведения, особенно высококачественного. Во вторых, телевизионные приемники и видеомагнитофоны отличаются относительным постоянством и сравнительно небольшой величиной (10. 80 Вт) мощности, потребляемой в нагрузке.

Колебания этой мощности в кинескопных телевизорах обусловлены изменениями яркости экрана при смене сюжетов и составляет не более 20 Вт (приблизительно 30 % максимальной потребляемой мощности). Для видеомагнитофонов колебания мощности, потребляемой в нагрузке возникают, в основном, только при переключении режимов работы лентопротяжного механизма (ЛПМ) и составляют не более нескольких единиц Ватт. Для примера, в стереофоническом усилителе с выходной мощностью 2 х 20 Вт колебания мощности достигают 70-80 Вт (приблизительно 70-80 % максимальной потребляемой мощности). Поэтому для этого класса радиоаппаратуры ИБП получаются более дорогостоящими из-за необходимости использования мощных двухтактных схем преобразователей (конверторов), более сложных стабилизаторов, фильтров и т.д.

В связи с этим, конструкторы как более ранних, так и современных моделей телевизоров, видеоаппаратуры и другой бытовой техники, как правило, придерживаются хорошо зарекомендовавших себя сточки зрения надежности, экономичности и простоты принципов построения импульсных блоков питания. Основные усилия направляются, в первую очередь, на совершенствование и микроминиатюризацию элементной базы, повышение надежности ИБП (в том числе путем введения различных защит) и расширение рабочего диапазона питающего их напряжения сети.

Структурная схема импульсного блока питания

На практике в конструкциях импульсных блоков питания телевизоров и видеомагнитофонов наибольшее распространение получили ИБП на основе регулируемого конвертера с бестрансформаторным входом.

Структурная схема импульсного блока питания состоит из двух основных элементов: сетевого выпрямителя СВ и преобразователя напряжения ПН.

Сетевой выпрямитель выполняет функции выпрямления напряжения сети Uc и сглаживания пульсаций, обеспечивает режим плавного заряда конденсаторов фильтра при включении БП, бесперебойной подачи энергии в нагрузку при кратковременных провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшения уровня помех за счет применения специальных помехоподавляющих фильтров (более подробно методы борьбы с помехами в импульсных блоках питания будут рассмотрены позже).

Преобразователь напряжения включает в себя конвертор Кв и контроллер (устройства управления) К. Конвертор, в свою очередь, состоит из регулируемого инвертора И, импульсного трансформатора Т, выпрямителей В и стабилизаторов СМ вторичных питающих напряжений нагрузки Uн. Инвертор преобразует постоянное выходное напряжение СВ в переменное прямоугольной формы. Импульсный трансформатор работает на повышенной частоте (более 20 кГц) и обеспечивает автогенераторный режим инвертора, получение напряжений, необходимых для питания собственно контроллера, схем защиты и цепей нагрузки БП, а также гальваническую развязку сети с нагрузкой.

Контроллером осуществляется импульсное управление мощным транзисторным ключом инвертора (по указанным выше причинам в телевизорах и видеоаппаратуре в основном применяются только конверторы на основе однотактного инвертора с самовозбуждением (автогенераторы)). Кроме того, на контроллер возложены функции стабилизации напряжения на нагрузке, а также защита БП от перенапряжения (boost), перегрузок по выходному току, сбросов (просадок) напряжения (buck) и перегрева. В некоторых конструкциях непосредственно в схеме контроллера дополнительно реализуется функция дистанционного включения/выключения аппарата.

Обобщенная структурная схема импульсного блока питания

Рис. 1. Обобщенная структурная схема импульсного блока питания

Контроллер ИБП включает в себя следующие функциональные узлы: источник питания контроллера ИПК; модулятор длительности импульсов МДИ; устройство защиты УЗ; логическую схему ЛС для объединения сигналов МДИ и УЗ; формирователь управляющего напряжения ФУН для мощного транзистора конвертора.

В контроллерах теле и видеоаппаратуры, как правило, применяются схемы ИПК на основе запускающих цепочек, кратковременно подключаемых к выходному напряжению сетевого выпрямителя с последующим переходом на питание от специальной обмотки импульсного трансформатора Т.

Модулятор длительности импульсов (МДИ) формирует импульсную последовательность с заданным соотношением длительности импульса к длительности паузы (скважностью). В зависимости от способа управления мощным транзистором конвертора в МДИ могут использоваться следующие виды модуляции: фазо-импульсная (ФИМ); частотно-импульсная (ЧИМ); широтно-импульсная (ШИМ). В импульсных БП наиболее широкое применение нашли МДИ на основе ШИМ благодаря простоте схемной реализации, а также потому, что в ШИМ-преобразователях напряжения частота коммутации остается неизменной, а изменяется только длительность импульса. В ФИМ- и ЧИМ-преобразователях частота коммутации в процессе регулирования изменяется, что является их основным недостатком, ограничивающим применение в ИБП ТВ и ВМ (помехи).

Структурная схема модулятора длительности импульсов

Рис. 2. Структурная схема модулятора длительности импульсов

Принципы построения и работу МДИ на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ-модулятора) рассмотрим подробнее. В состав МДИ входят следующие функциональные узлы (рис. 2): источник опорного напряжения ИОН; усилитель сигнала ошибки (рассогласования) УСО; задающий генератор ЗГ; генератор пилообразного напряжения ГПН; ШИМ-компаратор ШК.

Эпюры, характеризующие работу ШИМ-модулятора

Рис. 3. Эпюры, характеризующие работу ШИМ-модулятора

ШИМ-модулятор работает следующим образом. ЗГ генерирует колебания прямоугольной формы (рис. 3, а) с частотой, равной рабочей частоте преобразователя напряжения. Формируемое из этих колебаний в ГПН пилообразное напряжение Uп (рис. 3, б) поступает на вход ШИМ-компаратора ШК, на другой вход которого поступает сигнал с выхода усилителя сигнала ошибки. Выходной сигнал УСО Uош пропорционален разности между опорным напряжением и напряжением, вырабатываемым цепью обратной связи Uoc. Таким образом, напряжение Uош является сигналом рассогласования, уровень которого изменяется пропорционально изменению тока нагрузки Iн или выходного напряжения Uвых БП (см. рис. 1). В результате такого построения схемы образуется замкнутая цепь регулирования уровня выходного напряжения.

ШИМ-компаратор является линейно-дискретным функциональным узлом МДИ. Вход, на который поступает пилообразное напряжение, является опорным, а второй — управляющим. Выходной сигнал ШК—импульсный. Длительность выходных импульсов (рис. 3., в) определяется уровнем превышения управляющего сигнала Uош над опорным Uп и изменяется в процессе работы в соответствии с изменением входного управляющего сигнала. Модулированные по длительности выходные импульсы ШК через логическую схему ЛС (см. рис. 1) поступают на формирователь управляющего напряжения ФУН, в котором формируется сигнал упарвления переключением мощного ключевого транзистора конвертора.

Стабилизация выходного напряжения Uн реализуется за счет того, что при изменении выходного напряжения преобразователя, напряжение обратной связи Uoc также изменяется, вызывая изменение длительности импульсов на выходе ШК, а это, в свою очередь, вызывает изменение мощности, отдаваемой во вторичные цепи. Это обеспечивает стабильность выходного напряжения ПН по среднему значению.

Одним из основных требований к импульсным блокам питания является обеспечение гальванической развязки питающей сети и нагрузки, связанной по цепям обратной связи с устройством защиты УЗ и усилителем сигнала ошибки УСО.

В качестве элементов развязки в настоящее время применяются опто-электронные пары (оптроны) либо трансформаторы. Несомненными преимуществами оптронной развязки по сравнению с трансформаторной являются ее технологичность, малые габариты и возможность передавать сигналы в широком спектре частот.

Однако трансформаторная развязка позволяет обойтись меньшим числом промежуточных усилителей в контроллере ИБП, осуществить более простое согласование с высоковольтными источниками сигналов обратной связи (например, в блоках питания телевизоров, использующих для ШИМ-регулирования импульсы обратного хода строчной развертки). Тем не менее, в настоящее время конструкторы при разработке импульсных блоков питания все большее предпочтение отдают оптронным цепям развязки.

В заключение отметим, что главной тенденцией совершенствования импульсных блоков питания бытовой видеоаппаратуры является переход от конструкций на дискретных элементах к конструкциям блоков питания, практически полностью выполненных на интегральных микросхемах. В первую очередь это касается схем контроллеров ИБП и стабилизаторов вторичных напряжений нагрузки. Отдельно необходимо сказать о мощных высоковольтных транзисторных ключах. В настоящее время все чаще применяются ИМС-контроллеры со встроенным силовым ключом, причем биполярные транзисторы вытесняются мощными КМОП-транзисторами. Главные преимущества КМОП ключей — это более простое управление ими, повышенная устойчивость ко вторичному пробою из-за снижения вероятности локального nepeгреваa кристалла, повышенная (до 0,1 -1,0 МГц) частота переключения (в них не происходит накопление заряда).

Структурная схема импульсного блока питания

Импульсный БЛОК ПИТАНИЯ

Основная задача — немного систематизировать разрозненные знания и материалы, собрав их в одном месте под единым заголовком. Информация не для спецов, а для тех, кто хочет понять основы принципа действия импульсных блоков питания и немного разобраться в том, как они устроены.

Используемые сокращения: БП – блок питания (радиоэлектронной аппаратуры); ТЭРЦ – теория электро-радио цепей; НСБП – нестабилизированный БП; Uвых – выходное напряжение; СБП – стабилизированный БП; ИБП – импульсный БП; КПД – коэффициент полезного действия: БППТ – блок питания переменного тока; ЗУ – зарядные устройства; КЗ – короткое замыкание; СВ – сетевой выпрямитель; СФ – сетевой фильтр; ВЧП – высокочастотный преобразователь; ШИМ – широтно-импульсная модуляция; const–постоянная величина.

1. Классификация БП:

1.1. Нестабилизированные БП;
1.2. Стабилизированные БП;
1.3. Импульсные БП;
1.4. БП переменного тока.

2. Сравнительный анализ:

2.1. Структура трансформаторного БП;
2.2. Преимущества и недостатки трансформаторных БП;
2.3. Структура ИБП;
2.4. Преимущества и недостатки ИБП.

3. Схемные решения отдельных элементов ИБП:

3.1. СВи фильтр;
3.2. ВПЧ (ключевой элемент с импульсным трансформатором);
3.3. ШИМ-контроллер и обратная связь.

4. Схемы разных ИБП.
5. Реальный ИБП.
6. ПростейшийИБП – своими руками.

1. Классификация БП
В соответствии с дисциплиной ТЭРЦ (которую я изучал довольно давно), классификация БП предусматривает следующие группы:
1.1. НСБП – это самые распространенные трансформаторные блоки питания. Обеспечивают выходное напряжение постоянного тока. Такой БП обычно содержит сетевой трансформатор и выпрямитель. В НСБП выходное напряжение соответствует номинальному только при номинальном сетевом напряжении и номинальном токе нагрузки. Эти БП пригодны для питания осветительных и нагревательных приборов, электромоторов и любых устройств со встроенным стабилизатором напряжения (например, большинство радиотелефонов и автоответчиков). Они имеют значительный уровень пульсаций Uвыхи не пригодны для питания звуковой техники (радиоприемников, плееров, музыкальных синтезаторов).
1.2. СБП обеспечивают, ясен пень, стабилизированноеUвых постоянного тока. Такой БП обычно содержит сетевой трансформатор, выпрямитель и стабилизатор. Uвых не зависит (или почти не зависит) от изменения сетевого напряжения (в разумных пределах) и от изменения тока нагрузки. В СБП Uвых будет почти одинаковым как на холостом ходу, так и при номинальной нагрузке. Кроме того, для них характерны достаточно малые пульсации напряжения переменного тока на выходе. СБП практически всегда может заменить НСБП. СБП могут не иметь трансформатора.
1.3. ИБП обеспечивают на выходе стабилизированное напряжение постоянного тока. Они имеют следующие преимущества по сравнению с трансформаторными (такими могут быть ЭП первых двух групп): высокий КПД, незначительный нагрев, малый вес и габариты, большой допустимый диапазон сетевого напряжения. Обычно имеется встроенная защита от перегрузки и замыканий на выходе. Важнейшими элементами ИБП являются ключ — устройство, способное за короткое время изменить сопротивление прохождению тока с минимального на максимальное, и наоборот, и интегратор, напряжение на котором не может измениться мгновенно, а плавно растёт по мере накопления им энергии и так же плавно падает по мере отдачи её в нагрузку. Преимущества ИБП растут с увеличением мощности, т.е. для самой маломощной бытовой аппаратуры их применение может быть экономически не оправдано, а блоки питания мощностью от 50 Вт уже существенно дешевле в импульсном варианте. ИБП схемотехнически сложнее трансформаторных.
1.4. БППТ (включая автотрансформаторы) – применяются для питания осветительных и нагревательных электроприборов, а также для тех бытовых приборов, которые содержат внутренний выпрямитель и стабилизатор напряжения (например многие радиотелефоны Siemens, Toshiba, ряд автоответчиков).
1.5. ЗУ – это устройства, предназначенные исключительно для заряда аккумуляторов различных типов. При этом аккумуляторы могут в процессе заряда располагаться как внутри зарядного устройства, так и снаружи. Однако, например, сетевые адаптеры для радиотелефонов, принято относить к БП, т.к., во-первых, аккумуляторы при этом подключаются к устройству заряда не напрямую, а через внутреннюю схему, а во-вторых, кроме заряда аккумуляторов такой блок питания, как правило, обеспечивает и работу от сети.

2. Сравнительный анализ.
Рассмотрим два основных типа БП –трансформаторные (1.1.-1.2.) и импульсные (1.3.). Каждый из них имеет как свои преимущества, так и свои недостатки. Поэтому нельзя точно сказать, какой лучше или хуже, просто каждый тип БП может в б о льшей степени подходить для тех или иных устройств, в зависимости от своих технических характеристик.

2.1. Структурная схема трансформаторного БП.

Если рассмотреть трансформаторный БП (их также называют аналоговыми, линейными, параметрическими), то он состоит из понижающего трансформатора 1, где первичная обмотка выполнена из расчета на сетевое напряжение. Этот трансформатор часто называют силовым, и он служит одновременно для гальванической развязки. Преобразование переменного напряжения в пульсирующее однонаправленное (постоянное) напряжение происходит с помощью выпрямителя 2 на полупроводниковых диодах, мостах, сборках. Емкостной фильтр 3 сглаживает пульсирующее напряжение (часто для этого используется конденсатор больш о й емкости). Кроме этого, в схеме трансформаторного БП может присутствоватьстабилизатор 4 иэлементы защиты от КЗ в нагрузке.
2.2. Преимущества и недостатки трансформаторного БП
Преимущества трансформаторного БП: высокая надежность, простота конструкции, доступность элементной базы, а также низкий уровень создаваемых помех.
Недостатки трансформаторного БП: большие габариты и вес, металлоемкость и низкий КПД (до 50% в лучшем случае!).
Подробнее о таких БП см. в моей статье «Блоки питания» в этом же разделе.
2.3. Структурная схема импульсного БП.

В ИБП входящее переменное напряжение сети сначала выпрямляется полупроводниковым диодами 1 (сборками, мостами), затем емкостной фильтр 2 сглаживает пульсирующее напряжение. Электронный ключ 3 является элементом генератора, вырабатывающего прямоугольные импульсы высокой частоты, которые поступают на импульсный трансформатор 4, который служит одновременно гальванической развязкой. Таким образом, в ИБП снова создаётся переменный ток. На выходе снова стоят выпрямитель 1 и фильтр 2. Для того, чтобы стабилизировать Uвых, в ИБП используется обратная связь 5. Это позволяет удерживать Uвых на относительно постоянном уровне. Управление электронным ключом 3 происходит через ШИМ-контроллер 6. Благодаря такому способу управления Uвых не зависит от возможных колебаний входного (сетевого) напряжения, а также от величины нагрузки.

2.4. Преимущества и недостатки ИБП
Преимущества ИБП: небольшие габариты и вес, широкий диапазон входного напряжения и частоты, высокий КПД (более 90%) и, по сравнению с трансформаторными БП, меньшая стоимость, если брать современную элементную базу. Также к их достоинствам относится и то, что в большинстве современных ИБП присутствуют встроенные цепи защиты от отсутствия нагрузки на выходе и от короткого замыкания.
Высокий КПД ИБП связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом БП – это силовой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В ИБП нет ни того, ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора – ключевой элемент. Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии в импульсном блоке питания минимальны.
Недостатки ИБП: все они представляют собой источник высокочастотных помех, что непосредственно связано с их принципом работы, а также то, что основная часть схемы работает без гальванической развязки от входящего напряжения.

3. Схемные решения отдельных элементов ИБП.
3.1. СВ и фильтр
Для выпрямления сетевого однофазного напряжения используют одну из трех классических схем:

Каждой из них присущи достоинства и недостатки, которые определяют область применения.
Однополупериодная схема отличается простотой реализации и минимальным количеством полупроводниковых компонентов. Основными недостатками такого выпрямителя являются значительная величина пульсаций выходного напряжения (в выпрямленном присутствует лишь одна полуволна сетевого напряжения) и малый коэффициент выпрямления Кв. Он определяется соотношением среднего значения напряжения на выходе выпрямителя Uвых действующему значению фазного сетевого напряжения Uд. Для однополупериодной схемы Кв=0,45. Для сглаживания пульсаций на выходе такого выпрямителя требуются мощные фильтры.
Двухполупериодная схема со средней (нулевой) точкой требует удвоенного числа выпрямительных диодов, однако, этот недостаток в значительной мере компенсируется более низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и ростом величины Кв до 0,9. Основным недостатком такой схемы для использования в бытовых условиях является необходимость организации средней точки сетевого напряжения, что подразумевает наличие сетевого (силового) трансформатора. Его габариты и масса оказываются несовместимыми с идеей малогабаритного импульсного источника.
Двухполупериодная мостовая схема выпрямления имеет те же показатели по уровню пульсаций и Кв, что и схема со средней точкой, но не требует наличия сетевого трансформатора. Это компенсирует и главный недостаток – удвоенное количество выпрямительных диодов, как с точки зрения КПД, так и по стоимости.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения наилучшим решением является использование емкостного фильтра. Его применение позволяет поднять величину выпрямленного напряжения до амплитудного значения сетевого (при Uд=220В Uампл=314В). Недостатками такого фильтра принято считать большие величины импульсных токов выпрямительных элементов, но критичным этот недостаток не является.
Выбор диодов выпрямителя осуществляется по величине среднего прямого тока Iпр и максимального обратного напряжения Uобр.

3.2. ВЧП – ключевой элемент с импульсным трансформатором.
ВЧП представляет собой однотактный или двухтактный ключевой преобразователь (инвертор) с импульсным трансформатором. Варианты схем ВЧП приведены на рисунке.

Однотактная схема при минимальном количестве силовых элементов и простоте реализации имеет недостатки:
а) трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
б) для обеспечения мощности на выходе необходимо получить значительную амплитуду импульсного тока, протекающего через полупроводниковый ключ.
Схема нашла наибольшее применение в маломощных устройствах, где влияние указанных недостатков не столь значительно.
Двухтактная схема со средней точкой трансформатора (push-pull) свободна от недостатков однотактного варианта, но имеет собственные – усложненная конструкция трансформатора (требуется изготовление идентичных секций первичной обмотки) и повышенные требования к максимальному напряжению ключей. В остальном решение заслуживает внимания и широко применяется в импульсных источниках питания.
Двухтактная полумостовая схема по параметрам схема аналогична схеме со средней точкой, но не требует сложной конфигурации обмоток трансформатора. Собственным недостатком схемы является необходимость организации средней точки фильтра выпрямителя, что влечёт двухкратное увеличение количества конденсаторов.
Благодаря простоте реализации схема наиболее широко используется в импульсных источниках питания мощностью до 3 кВт. При больших мощностях стоимость конденсаторов фильтра становится неприемлемо высокой по сравнению с полупроводниковыми ключами инвертора и наиболее выгодной оказывается мостовая схема.

Двухтактная мостовая схема по параметрам аналогична другим двухтактным схемам, но лишена необходимости создания искусственных «средних точек». Платой за это становится удвоенное количество силовых ключей, что выгодно с экономической и технической точек зрения для построения мощных импульсных источников.

3.3. ШИМ-контроллер и обратная связь.
Сам по себе ключевой элемент, выполненный на полевых или биполярных транзисторах, не может выработать прямоугольные импульсы. Для этого он должен быть составным элементом автогенератора или управляться неким устройством, подающим на него такие импульсы.
Для более близкого знакомства с реализацией данной функции придётся рассмотреть более сложные (и более близкие к реальным) схемы.
Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора VT1, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатораT1, вместе образующих схему ВЧП. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей.
Первыйвыполняется по схеме импульсного автогенератора. К примеру, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ), например:

Телевизор «Садко-61ТЦ-423Д» — единственный ретро-телевизор в моём музее, который использовался по прямому назначению, как демонстрационный монитор для компьютерного класса КУВТ-86 и для просмотра видео с кассетного видеомагнитофона «Электроника-ВМ12».

Фото ИБП для аналогичных телевизоров.

Второй – с внешним управлением, используется в большинстве современных (и не очень) радиоэлектронных устройств, например:

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 20 до 60 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего БП будут достаточно компактны, что является немаловажным фактором при создании современной аппаратуры.

Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена ниже:

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через СФ подается на СВ, где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 импульсного трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к увеличению магнитного потока в сердечнике трансформатора и возникновению во вторичной обмотке W2 ЭДС индукции. В итоге на выходе диода VD появится положительное напряжение.
При этом, если увеличивать длительность импульса, приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к. энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, можно изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1 и осуществлять, таким образом, стабилизацию выходных напряжений. Единственное, что для этого необходимо — схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ-контроллер. Это, сам по себе довольно сложный элемент (в принципе, как и любая ИМС), в состав которого входят: задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая управляет длительностью импульса.

Пример формирования ШИМ-последовательностей:

Скважность импульсов определяется отношением периода колебаний к длительности импульса S=T/tимп. Кстати, об импульсах, скважности и т.п. см. мои статьи из цикла «Мультивибратор» в разделе РАДИОбиблиотека.
Для А: S=0,5;
для В: S для C: S>0,5.
Обращаю внимание, что во всех случаях период T=const, а, значит, и частота f=const.
Импульсы такого типа формируются на выходе ШИМ-контроллера и поступают на базу VT1.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ-контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь обратной связи (или цепь слежения), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведёт к увеличению интенсивности излучения светодиода, а, следовательно, уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (они входят в состав оптопары U1). Это, в свою очередь, приведёт к увеличению падения напряжения на резисторе R2 (включен последовательно фототранзистору) и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ-контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ-контроллера, увеличивать длительность импульса (вариант С на диаграмме) до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный (вариант В на диаграмме).
В ИБП используются два принципа реализации обратной связи (цепей слежения) – «непосредственный» и «косвенный». Вышеописанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя.
При «косвенном» методе напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ-контроллера.
Представим ситуацию, когда в нагрузке ИБП возникает КЗ. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ-контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу этого транзистора из строя. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк, протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов и блок питания перейдет в режим защиты или, другими, словами отключится.

4. Схемы разных ИБП.
Без комментариев приведу несколько схем ИБП разной степени сложности и на разной элементной базе. При желании Вы легко сможете найти их в сети.

Этиэти схемы приведены «для тренировки», чтобы, рассматривая их, можно было найти основные элементы, присущие всем ИБП, независимо от конкретной, так сказать, реализации. Ну и сравнить схемные решения и элементную базу.

5. Реальный ИБП.
Однажды в моём компьютерном классе перестал работать коммутатор ЛВС «D-Link DES-1016D».
Как выяснилось, причина была в неисправности его ИБП, а точнее – в элементах питания ШИМ-контроллера.

Switch открыт.

Его ИБП должен выдавать на выходе 3,3В х 1,5А.

Его схема. Пришлось заменить конденсатор С3 в цепи питания ШИМ-контроллера. ИБП запустился, и Switch снова стал нормально работать.
Подробнее см. «Ремонт коммутатора D—LinkDES-1016D» в разделе РАДИОмастерская.

6. ПростейшийИБП – своими руками.
Видео создания этого ИБП я сходу обнаружил на полутора десятках сайтов. И даже от двух разных авторов!

Надо полагать, это говорит о хорошей повторяемости конструкции («Делаем самый простой импульсный блок питания», 18 мин, на youtube.com). Автор подробно излагает весь процесс изготовления ИБП, рекомендации по подбору деталей, демонстрирует рабочий блок. Правда, терминология несколько… местами… не совсем. Но, в данном случае, это не принципиально.

Специалст назвал данное устройство не ИБП, а преобразователем. У него сразу возник вопрос: а как поддерживать стабильное напряжение на выходе?Значит ли это, что такой БП без обратной связии ШИМ-контроллера вовсе и не ИБП?

Спасибо за внимание, которое Вы уделили моему материалу.
В проекте разработка двух продолжений: изготовление ИБП в РАДИОмастерской и описание раритетных реальных ИБП в новом разделе РАДИОхабар, который я планирую открыть в скором времени.

НАЗАД на страницу РАДИОпитание

Структурная схема импульсного блока питания

2.3. Структурная схема

Читайте также

1.7.4. Схема импульсного стабилизатора

3.1.1. Электрическая схема электронных часов на ЖКИ

3.5.3. Расширенная схема акустического датчика

4.4.2. Электрическая схема таймера

2.6. Схема чувствительного видеоусилителя

Проект 2: Схема интерфейса

Проект 3: общая схема интерфейса УРР

Начальная схема управления

Электрическая схема

«Фрегат Экоджет»: новая схема самолета и новая бизнес-схема

2.4. Принципиальная схема

3.3. Структурная схема

3.4. Принципиальная схема

Общая схема электрооборудования

Схема, устройство работа

7.1. Структурная организация и обязанности участников похода

1.1. Структурные схемы импульсных источников питания

Читайте также

Приложение 2 Перечень источников, использованных автором

Список использованной литературы и некоторых источников

3.4. Универсальные светодиодные индикаторы токовой перегрузки для источников питания

5.15. Подготовка совещания. Кривые пути электронов и тупики источников направленного РЧЭМИ

Список источников

2.13. Структурные и функциональные схемы

Перечень использованных источников РГА ВМФ

Глава 2 К вопросу о теории источников энергии, не требующих топлива

Глава 1 Введение в схемотехнику импульсных источников питания

1.2. Принципы построения бестрансформаторных источников питания

Ил-18 Схемы

СХЕМЫ Бе-103

СХЕМЫ

10. КУЛЬТУРА ПИТАНИЯ ЗДОРОВОГО ЧЕЛОВЕКА. РЕЖИМ ПИТАНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Импульсные блоки питания

Структурная схема импульсного блока питания

Структурная схема импульсного блока питания

Добавить комментарий Отменить ответ