Импульсные источники питания

• Введение
• 1. Принцип функционирования импульсных источников питания
• 2. Основные параметры и характеристики импульсных источников питания
• 3. Основные способы построения импульсных источников питания
• 4. Разновидности схемотехнических решений импульсных источников питания
• Заключение
• Список используемой литературы

Импульсные источники питания в настоящее время уверенно приходят на смену устаревшим линейным. Причина — свойственные данным источникам питания высокая производительность, компактность и улучшенные показатели стабилизации.

При тех стремительных изменениях, которые претерпели принципы питания электронной техники за последнее время, информация о расчете, построении и использовании импульсных источников питания становиться все более актуальной.

В последнее время в среде специалистов в области электроники и радиотехники, а также в промышленном производстве особую популярность завоевали импульсные источники питания. Наметилась тенденция отказа от типовых громоздких трансформаторных и переход на малогабаритные конструкции импульсных блоков питания, преобразователей напряжения, конвертеров, инверторов.

В общем, тема импульсных источников питания достаточно актуальная и интересная, и является одной из важнейших областей силовой электроники. Данное направление электроники перспективное и стремительно развивающееся. И его основной целью является разработка мощных устройств питания, отвечающих современным требованиям надежности, качества, долговечности, минимизации массы, размеров, энергои материалоемкости. Необходимо отметить, что практически вся современная электроника, включая всевозможные ЭВМ, аудио-, видеотехнику и другие современные устройства питается от компактных импульсных блоков питания, что еще раз подтверждает актуальность дальнейшего развития указанной области источников питания.

1. Принцип функционирования импульсных источников питания

Импульсный источник питания является инверторной системой. В импульсных источниках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

Рисунок 1 — Структурная схема импульсного источника питания

Напряжение сети поступает на выпрямитель, после чего сглаживается емкостным фильтром. С конденсатора фильтра, напряжение которого возрастает, выпрямленное напряжение через обмотку трансформатора поступает на коллектор транзистора, выполняющего функцию ключа. Устройство управления обеспечивает периодическое включение и выключение транзистора. Для надежного запуска БП используется задающий генератор, выполненный на микросхеме. Импульсы подаются на базу ключевого транзистора и вызывают запуск цикла работы автогенератора. На устройство управления возлагается функция отслеживания уровня выходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственного управления ключом. Питание микросхемы задающего генератора осуществляется цепочкой резисторов непосредственно с входа накопительной емкости, стабилизируя напряжение опорной емкостью. За работу оптопары отвечает задающий генератор и ключевой транзистор вторичной цепи. Чем сильнее открыты транзисторы, отвечающие за работу оптрона, тем меньше амплитуда импульсов обратной связи, тем раньше выключится силовой транзистор и тем меньше энергии накопится в трансформаторе, что вызовет прекращение роста напряжения на выходе источника. Наступил рабочий режим источника питания, где не малую роль отводится оптопаре, как регулировщику и управленцу выходными напряжениями.

Спецификация промышленного источника питания более жесткая, чем у обычного бытового источника питания. Это выражается не только в том, что на входе источника питания действует высокое трехфазное напряжение, но еще и в том, что промышленные источники питания должны сохранять работоспособность при существенном отклонении входного напряжения от номинального значения, включая провалы и броски напряжения, а также пропадание одной или нескольких фаз.

Рисунок 2 — Принципиальная схема импульсного источника питания.

Схема работает следующим образом. Трехфазный вход может быть выполнен по трехпроводной, четырехпроводной схеме или даже однофазным. Трехфазный выпрямитель состоит из диодов D1 — D8.

Резисторы R1 — R4 осуществляют защиту от броска напряжения. Использование защитных резисторов с размыканием при перегрузке делает ненужным использование отдельных вставок плавких. Входное выпрямленное напряжение фильтруется П-образным фильтром, состоящим из С5, С6, С7, С8 и L1.

Резисторы R13 и R15 уравнивают напряжение на входных фильтрующих конденсаторах.

Когда открывается MOSFET микросхемы U1, потенциал истока Q1 понижается, ток затвора обеспечивается резисторами R6, R7 и R8, соответственно емкость переходов VR1… VR3 отпирает Q1. Диод Зенера VR4 ограничивает напряжение исток-затвор приложенное к Q1. Когда MOSFET U1 закрывается, напряжение стока ограничивается на уровне 450 вольт ограничительной цепочкой VR1, VR2, VR3. Любое дополнительное напряжение на конце обмотки будет рассеиваться на Q1. Такое подключение эффективно распределяет суммарное выпрямленное напряжение на Q1 и U1.

Цепочка поглощения VR5, D9, R10, поглощает избыточное напряжение на первичной обмотке, возникающее из-за индукции рассеяния трансформатора во время обратного хода.

Выходное выпрямление осуществляется диодом D1. C2 — выходной фильтр. L2 и C3 формируют вторую ступень фильтра для снижения нестабильности выходного напряжения.

VR6 начинает проводить, когда выходное напряжение превышает падение на VR6 и оптопаре. Изменение выходного напряжения вызывает изменение тока, текущего через диод оптопары U2, который в свою очередь вызывает изменение тока через транзистор оптопары U2. Когда этот ток превышает порог на выводе FB микросхемы U1, следующий рабочий цикл пропускается. Заданный уровень выходного напряжения поддерживается путем регулирования числа пропущенных и совершенных рабочих циклов. Когда рабочий цикл начался, он закончиться, когда ток через микросхему U1 достигнет установленного внутреннего предела. R11 ограничивает ток через оптопару и устанавливает коэффициент усиления обратной связи. Резистор R12 подает смещение на VR6.

Эта схема защищена от обрыва петли обратной связи, КЗ на выходе, перегрузки благодарю функциям, встроенным в U1 (LNK304). Так как микросхема запитывается прямо со своего вывода сток, не требуется отдельная обмотка питания.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

2. Основные параметры и характеристики импульсных источников питания

Классификация импульсных источников питания (ИИП) производится по нескольким основным критериям:

По виду входного и выходного напряжения;

По типологии;

По форме выходного напряжения;

По типу питающей цепи;

По напряжению на нагрузке;

По мощности нагрузки;

По роду тока нагрузки;

По числу выходов;

По стабильности напряжения на нагрузке.

По виду входного и выходного напряжения ИИП классифицируются следующим образом:

1. AC/DC — это преобразователи переменного напряжения в постоянное. Такие преобразователи применяют в самых разных областях — это промышленная автоматика, телекоммуникационное оборудование, контрольно-измерительное оборудование, оборудование промышленного назначения для обработки данных, средства обеспечения безопасности, а также техника специального назначения.

2. DC/DC — это преобразователи постоянного напряжения. В таких DC/DC конверторах используют импульсные трансформаторы с двумя и более обмотками, причем между входной и выходной цепью связь отсутствует. Импульсные трансформаторы имеют большую разность потенциалов между входом и выходом конвертора. Примером их применения может быть блок питания (БП) для импульсных фотовспышек с напряжением на выходе порядка 400 В.

3. DC/AC — это преобразователи постоянного напряжения в переменное (инвентор). Основная область применения инверторов — работа в подвижном составе железнодорожных и других транспортных средств, имеющих бортовую электросеть постоянного напряжения. Также они могут быть применены в качестве основных преобразователей в составе источников резервного питания.

Высокая перегрузочная способность позволяет осуществлять питание широкого спектра устройств и оборудования, включая конденсаторные двигатели компрессоров холодильных установок и кондиционеров.

По типологии ИИП классифицируются следующим образом:

обратноходовые импульсные преобразователи (flybackconverter);

прямоходовые импульсные преобразователи (forwardconverter);

преобразователи с двухтактным выходом (push-pull);

преобразователи с полумостовым выходом (halfbridgeconverter);

преобразователи с мостовым выходом (fullfbridgeconverter).

По форме выходного напряжения ИИП классифицируются так:

1. C модифицированной синусоидой

2. C синусоидой правильной формы.

Рисунок 3 — Формы выходного сигнала

По типу питающей цепи:

ИИП, использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети переменного тока;

ИИП, использующие электрическую энергию, получаемую от трехфазной сети переменного тока;

ИИП, использующие электрическую энергию автономного источника постоянного тока.

По напряжению на нагрузке:

ИИП низкого (до 100 В) напряжения;

ИИП среднего (от 100 до 1000 В) напряжения;

ИИП высокого (свыше 1000 В) напряжения.

По мощности нагрузки:

ИИП малой мощности (до 100 Вт);

ИИП средней мощности (от100 до 1000 Вт);

ИИП большой мощности (свыше 1000 Вт).

По роду тока нагрузки:

ИИП с выходом на переменном токе;

ИИП с выходом на постоянном токе;

ИИП с выходом на переменном и постоянном токе.

По числу выходов:

одноканальные ИИП, имеющие один выход постоянного или переменного тока;

многоканальные ИИП, имеющие два или более выходных напряжений.

По стабильности напряжения на нагрузке:

стабилизированные ИИП;

нестабилизированные ИИП.

3. Основные способы построения импульсных источников питания

На рисунке ниже будет представлен внешний вид импульсного источника питания.

Рисунок 4 — Импульсный источник питания

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-контроллер (PWM), 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).

Существует три основных способа построения импульсных ИП (см. рис.3): повышающая (выходное напряжение выше входного), понижающая (выходное напряжение ниже входного) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность). Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.

импульсный источник питание напряжение Рисунок 5 — Типовые структурные схемы импульсных источников питания Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20−100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток, протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле ½LI² на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

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

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

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

4. Разновидности схемотехнических решений импульсных источников питания

Схема ИИП 90-х годов показана на рис. 6. Источник питания содержит сетевой выпрямитель VD1-VD4, помехоподавляющий фильтр L1C1-СЗ, преобразователь на коммутирующем транзисторе VT1 и импульсном трансформаторе Т1, выходной выпрямитель VD8 с фильтром C9C10L2 и узел стабилизации, выполненный на стабилизаторе DA1 и оптроне U1.

Рисунок 6 — Импульсный источник питания 1990;х годов

Схема ИИП показана на рис. 7. Предохранитель FU1 защищает элементы от аварийных ситуаций. Терморезистор RK1 ограничивает импульс зарядного тока конденсатора С2 до безопасного для диодного моста VD1 значения, а совместно с конденсатором С1 образует RC-фильтр, служащий для уменьшения импульсных помех, проникающих из ИИП в сеть. Диодный мост VD1 выпрямляет сетевое напряжение, конденсатор С2 — сглаживающий. Выбросы напряжения первичной обмотки трансформатора Т1 уменьшает демпфирующая цепь R1C5VD2. Конденсатор С4 является фильтром питания, от которого запитаны внутренние элементы микросхемы DA1.

Выходной выпрямитель собран на диоде Шотки VD3, пульсации выходного напряжения сглаживает LC-фильтр C6C7L1C8. Элементы R2, R3, VD4 и U1 обеспечивают совместно с микросхемой DA1 стабилизацию выходного напряжения при изменении тока нагрузки и сетевого напряжения. Цепь индикации включения выполнена на светодиоде HL1 и токоограничивающем резисторе R4.

Рисунок 7 — Импульсный источник питания 2000;х годов

На рис. 8 двухтактный импульсный блок питания с полумостовым включением силового оконечного каскада, состоящего из двух мощных MOSFET IRFP460. В качестве ШИМ-контроллера выбрали микросхему К1156ЕУ2Р.

Дополнительно с помощью реле и ограничивающего резистора R1 на входе реализован плавный пуск, позволяющий избежать резких бросков тока. Реле можно применить на напряжение как 12, так и 24 вольта с подбором резистора R19. Варистор RU1 защищает входную цепь от импульсов чрезмерной амплитуды. Конденсаторы С1-С4 и двухобмоточный дроссель L1 образуют сетевой помехоподавляющий фильтр, предотвращающий проникновение высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем, в питающую сеть.

Подстроечный резистор R16 и конденсатор С12 определяют частоту преобразования.

Для уменьшения ЭДС самоиндукции трансформатора Т2 параллельно каналам транзисторов включены демпферные диоды VD7 и VD8. Диоды Шоттки VD2 и VD3 защищают коммутирующие транзисторы и выходы микросхемы обратного напряжения DA2 от импульсов.

Рисунок 8 — Современный импульсный источник питания

Заключение

В ходе проделанной научно-исследовательской работы мною проведено исследование импульсных источников питания, позволившее проанализировать существующую схемотехнику данных устройств и сделать соответствующие выводы.

Импульсные источники питания обладают гораздо большими преимуществами по сравнению с другими — у них более высокий КПД, они имеют существенно меньшие массу и объём, кроме того они обладают гораздо меньшей себестоимостью, что в конечном итоге приводит к их сравнительно небольшой цене для потребителей и, соответственно, высокому спросу на рынке.

Многие современные электронные компоненты, используемые в современных электронных устройствах и системах, требуют высокого качества питания. Кроме того, выходное напряжение (ток) должно быть стабильным, иметь требуемую форму (например, для инверторов), а также минимальный уровень пульсаций (например, для выпрямителей).

Таким образом, импульсные источники питания являются неотъемлемой частью любых электронных устройств и систем, питающихся как от промышленной сети 220 В, так и других источников энергии. При этом надежность работы электронного устройства напрямую зависит от качества источника питания.

Таким образом, разработка новых усовершенствованных схем импульсных источников питания позволит улучшить технические и эксплуатационные характеристики электронных устройств и систем.

Список используемой литературы

1. Гуревич В. И. Надежность микропроцессорных устройств релейной защиты: мифы и реальность. — Проблемы энергетики, 2008, № 5−6, с.47−62.

2. Источник питания [Электронный ресурс] // Википедия. — Режим доступа: http://ru. wikipedia.org/wiki/Источник_питания

3. Вторичный источник питания [Электронный ресурс] // Википедия. — Режим доступа: http://ru. wikipedia.org/wiki/Вторичный_источник_ питания

4. Высоковольтные источники питания [Электронный ресурс] // ООО «Оптосистемы» — Режим доступа: http://www.optosystems.ru/power _supplies_about. php

5. Ефимов И. П. Источники питания — Ульяновский Государственный Технический Университет, 2001, с.3−13.

6. Области применения силовых источников питания [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.power2000.ru/apply_obl.html

7. Компьютерные блоки питания [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://offline.computerra.ru/2002/472/22 266/

8. Эволюция импульсных источников питания [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.power-e.ru/2008₄_26. php

9. Принцип работы импульсных источников питания [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://radioginn. ucoz.ru/publ/1−1-0−1