Импульсные источники питания, теория и простые схемы. Импульсный блок питания - основные принципы работы ИБП

Виды импульсных источников электропитания

Импульсные или ключевые, источники электропитания в настоящее время получили распространение не меньше, чем линейные стабилизаторы напряжения. Их основными достоинствами являются: высокий коэффициент полезного действия, малые габариты и масса, высокая удельная мощность. Это стало возможным благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка большую часть времени находится в области насыщения или области отсечки ВАХ, а зону активного (линейного) режима проходит с высокой скоростью за очень малое время переключения. В состоянии насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю, а в режиме отсечки отсутствует ток, благодаря чему потери в транзисторе оказываются достаточно малыми. Поэтому средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейных регуляторах. Малые потери в силовых ключах приводят к уменьшению или полному исключению радиаторов.

Улучшение массогабаритных характеристик источников питания обусловлено, прежде всего, тем, что из схемы источника питания исключается силовой трансформатор, работающей на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор или дроссель, габариты и масса которого намного меньше низкочастотного силового трансформатора.

К недостаткам импульсных источников электропитания относятся: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличение пульсаций выходного напряжения, большое время выхода на рабочий режим. Сравнительные характеристики обычных (т.е. с низкочастотным силовым трансформатором) и импульсных источников питания приведены в таблице 2.1.

Сравнение этих характеристик показывает, что КПД импульсных источников питания увеличивается по сравнению с обычными (линейными) в отношении 1:2, а удельная мощность в отношении 1:4. При повышении частоты преобразования с 20 кГц до 200 кГц удельная мощность возрастает в соотношении 1:8, т.е. почти в два раза. Импульсные источники питания имеют также большее время удержания выходного напряжения при внезапном отключении сети.

Это обусловлено тем, что в сетевом выпрямителе импульсного источника используются конденсаторы большой емкости и с высоким рабочим напряжением (до 400 В). При этом размеры конденсаторы растут пропорционально произведению CU, а энергия конденсатора пропорционально CU 2 . Этой энергии конденсатора достаточно для поддержания в рабочем состоянии источника питания в течении примерно 30 мс, что очень важно для сохранения информации в компьютерах при внезапном отключении питания.

Таблица 2.1 – Сравнение импульсных и линейных источников

В то же время пульсации выходного напряжения в импульсных источниках питания больше, чем у линейных, что обусловлено сложностью подавления коротких импульсов при работе импульсного преобразователя. Другие характеристики у этих источников практически совпадают.

Структура построения ИВЭП . При всем разнообразии структурных схем рисунки 2.1…2.8 обязательным является наличие силового каскада,

осуществляющего преобразование постоянного напряжения в другое постоянное, условно будем считать, что импульсные преобразователи реализуют функцию электрической изоляции (гальванической развязки) входных и выходных цепей, а импульсные стабилизаторы нет. Функциональное назначение силовых каскадов преобразователей и стабилизаторов одинаково.

Широкое распространение получили ИВЭП компенсационного типа, выполненного с обратной связью рисунок 2.1, Силовой каскад 3,на управляющий вход которого подается последовательность импульсов с определенными временными параметрами, осуществляет импульсное преобразование напряжения постоянного тока от первичного источника Еп в выходное напряжение Uн (утолщенными линиями показаны силовые цепи ИВЭП).

В общем случае выходных цепей с напряжениями Uн у одного ИВЭП может быть несколько. Усилитель импульсов 2 может выполнять не только функцию усиления управляющих импульсов по мощности для транзисторов 3, но и функции формирования импульсов: осуществляет временное разделение импульсов, например, для двухтактных преобразователей напряжения формирует короткие управляющие импульсы для схем 3 с трансформаторами тока или специальными типами силовых транзисторов и др..

Рисунок 2.1 - Структурная схема импульсного компенсационного ИВЭП

Импульсы, синхронизирующие работу ИВЭП, вырабатываются модулятором 1. Выходное напряжение постоянного тока Uн подается на вход схемы сравнения 4, где сравнивается с опорным напряжением Uоп. Сигнал рассогласования (ошибки) поступает на вход модулятора, который задает временные параметры синхронизирующих импульсов. Увеличение или уменьшение напряжения Uн приводит к изменению сигнала рассогласования на выходе 4 и временных параметров синхронизирующих импульсов на входе 1, что вызывает восстановление прежнего значения напряжения Uн, т.е. его стабилизацию. Таким образом, ИВЭП, выполненный по схеме рисунка 2.1 является стабилизирующим импульсным преобразователем напряжения компенсационного типа, поддерживающим неизменность выходного напряжения при изменениях выходного тока Iн, входного напряжения Еп, температуры окружающей среды и воздействия других дестабилизирующих факторов.

Рассмотрим ИВЭП с инвариантной (называемой иногда параметрической) стабилизацией выходного напряжения на рисунке 2.2 .

Сущность такого способа стабилизации заключается в том, что при воздействии какого-либо фактора, который может вызвать отклонение значения напряжения Uн от заданного, происходит изменение временных параметров управляющих импульсов, приводящее к тому, что Uн останется неизменным. Однако, в отличие от компенсационных стабилизаторов, изменение временных характеристик управляющих импульсов в этом случае зависит от величины отклонения самого дестабилизирующего воздействия.

Рисунок 2.2 - Структурная схема импульсного параметрического ИВЭП

На рисунке 2.2 генератор, обеспечивающий подобную функциональную зависимость, обозначен 1. Здесь штриховой линией показана связь Еп с управляющим входом генератора для обеспечения закона инвариантности Uн от Еп.

Источники вторичного электропитания без стабилизации выходного напряжения выполняются по схеме, приведенной на рисунок 2.3. Генератор импульсов 1 вырабатывает импульсы с неизменными временными параметрами. Очевидно, что для неизменности напряжения Uн необходимо иметь стабильное напряжение Еп.

Рисунок 2.3 - Структурная схема нестабилизированного ИВЭП

ИВЭП представленный на рисунке 2.4, осуществляет двойное преобразование энергии постоянного тока. Первый силовой каскад 1, как правило, импульсный стабилизатор преобразует напряжение Еп в стабилизированное напряжение Еп1. Второй силовой каскад 2 осуществляет гальваническую развязку напряжения и при необходимости дополнительную стабилизацию Uн. В общем случае компенсация и инвариантная стабилизация может осуществляется не только в 1, но и в обоих каскадах, что показано штриховыми линиями цепей отрицательной обратной связи. Силовые каскады 1 и 2 могут представлять собой различные варианты силовых каскадов любого из ИВЭП.

Рисунок 2.4 - Структурная схема ИВЭП двойного преобразования

Структурная схема блочного ИВЭП со ступенчатым наращиванием мощности приведена на рисунке 2.5. Для увеличения выходной мощности применено параллельное включение каскадов 3…5.

Рисунок 2.5 - Структурная схема модульного ИВЭП

Так как параллельное включение традиционных ИВЭП без применения специальных мер выравнивания мощности каждого из них невозможно, то в данном случае использован принцип многофазного построения ИЭВП. Он заключается в том, что модулятор-формирователь МФ осуществляет не только преобразование сигнала рассогласования СС в соответствующую импульсную последовательность, но и выполняет функцию фазового распределения импульсных сигналов по нескольким силовым каскадам. В результате такой работы ИЭВП временные этапы открытого и закрытого состояния силовых ключей транзисторов различных силовых каскадов оказываются разнесенными во времени.

Все рассмотренные схемы ИВЭП можно сравнивать по различным параметрам – стабильности выходных напряжений, массогабаритным характеристикам, энергетическим показателям, технологичности и себестоимости, а также возможности унификации. При этом, одна и та же схема в зависимости от заданных требований может оказаться неоптимальной по комплексу показателей. Заранее невозможно выбрать конкретную схему как наиболее эффективную, поэтому целесообразно рассмотреть наиболее общие свойства приведенных схем. Будем считать, что надежностные, энергетические и массогабаритные показатели силовых каскадов одинаковы и в равной степени зависят от мощности, выходного напряжения и частоты преобразования.

Наибольшей стабильностью выходного напряжения обладает ИВЭП, реализованный по схеме рисунка 2.1, так как обратная связь, воздейстующая на временные параметры управляющих импульсов, берётся непосредственно с выхода ИЭВП. Высокой стабильностью выходного напряжения обладает и схема ИВЭП, приведенная на рисунке 2.4, если обратная связь на СС берётся с выхода - Uн. Несколько худшей стабильностью, но большей простой схемы управления обладает ИВЭП, выполненные по схеме рисунка 2.2. Однако, здесь не учитывается изменение падения напряжения на индуктивных и активных элементах 3 при изменении тока нагрузки Iн. Дестабилизирующие изменения напряжения Еп могут быть скомпенсированы введением дополнительной, прямой связи (штриховая линия). Бывают ИВЭП с инвариантной стабилизацией не только возмущающего воздействия по напряжению Еп, но и возмущающих воздействий по току нагрузки Iн, температуре окружающей среды и др., однако они не получили широкого применения. Наихудшей стабильностью обладают ИВЭП, выполненные по схеме рисунка 2.3, из-за отсутствия какой-либо обратной связи при воздействии дестабилизирующих факторов. Схема ИВЭП рисунок 2.4, как указывалось выше, принципиально может иметь высокую стабильность выходного напряжения, однако при отсутствии инвариантных или компенсационных каналов регулирования ее показатели идентичны схеме рисунка 2.3.

Применение схем ИВЭП рисунка 2.2 предпочтительно при относительно высоких напряжениях Uн, во много раз превышающих падение напряжения на силовых ключах 3, так как получение требуемой функции 1, учитывающей изменения падения напряжения на этих ключах при колебаниях тока нагрузки и температуры окружающей среды, затруднительно.

Таким образом, в тех случаях, когда выходное напряжение ИВЭП невелико (не превышает нескольких вольт) и имеются значительные изменения тока нагрузки, температуры окружающей среды и напряжения Еп, необходимо использовать ИВЭП, выполненные по структурным схемам (см. рисунки 2.2,2.4,2.5) с компенсационным принципом регулирования.

Схема рисунка 2.2 может применяться также при удовлетворении компромиссных требований по стабильности выходного напряжения и простоте схемы управления ИВЭП. Если первичное напряжение стабильно и изменения падения напряжения на внутренних элементах СК заметно не влияют на точность поддержания напряжения Uн, применяют более простые ИВЭП (рисунки 2.3 и 2.5).

Приведенные схемы ИВЭП могут использоваться в широком диапазоне первичных напряжений – от единицы до сотен вольт. Однако, для высоких первичных напряжений целесообразной может оказаться схема ИВЭП рисунка 2.4, в которой двойное преобразование электрической энергии дает возможность понизить импульсным стабилизатором СКI высокое первичное напряжение Еп постоянного тока до Еп1 и использовать его в качестве первичного для импульсного преобразователя СК2. В этом случае преобразователь СК2, как более сложное по сравнению с СКI устройство работает в облегченных электрических режимах, что может обеспечить уменьшение количества элементов, повышение надежности работы и улучшение энергетических показателей преобразователя.

Крупногабаритными, наиболее материалоемкими и трудно поддающимися микроминиатюризации элементами являются дроссели и трансформаторы. В схемах ИВЭП необходимо стремиться к минимизации их числа. В схеме ИВЭП рисунка 2.4 для двойного преобразования энергии требуются два силовых каскада с принципиально необходимыми индуктивными элементами.

Блочное наращивание выходной мощности требуется для построения различных систем электропитания, которые должны выполняться на базе однотипных, унифицированных ИВЭП. В этом случае разработка и изготовление ИВЭП, питающих электронную аппаратуру, целесообразно при использовании однотипных блоков с возможностью параллельного соединения для получения требуемой суммарной выходной мощности. В итоге возможно получение экономического эффекта. В этом случае одной из основных целей разработки ИВЭП является выбор дискретного значения мощности единичного блока, который должен удовлетворять всем технико-экономическим требованиям имеющихся систем электропитания. Другим преимуществом блочных (многофазных) преобразователей является уменьшение суммарной емкости конденсаторов выходных фильтров, что объясняется распределением во времени процессов переноса энергии на выход отдельных силовых каскадов. Кроме того, многофазные преобразователи позволяют реализовать различные варианты сложных систем электропитания, состоящие их одинаковых унифицированных блоков.

На рисунке 2.6 приведена схема ИВЭП, содержащего нерегулируемый сетевой выпрямитель 1 и конвертор выпрямленного напряжения сети. Конвертор состоит из регулируемого инвертора 2, работающего на повышенной частоте (обычно 20…100 кГц), трансформаторного выпрямительного узла 3 и высокочастотного фильтра 4. Для стабилизации выходного напряжения используется схема управления 5.

Рисунок 2.6 - Структурная схема импульсного ИВЭП с регулируемым инвертором

В схеме управления сравнивается выходное напряжение Uн и напряжение опорного источника 6. Разность этих напряжений, называется сигналом ошибки, используется для регулировки частоты регулируемого инвертора (f = var) или скважности импульсов при их неизменной частоте (g = var) . Конвертор, выполненный на базе однотактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным однотактным конвертором - ТОК. Конвертор, выполненный на базе двухтактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным двухтактным конвертором - ТДК.

На рисунке 2.7 приведена схема ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем 1 и нерегулируемым инвертором 2. Остальные узлы этой схемы имеют то же назначение, что и предыдущих схемах. Отличительной особенностью этой структурной схемы является использование нерегулируемого инвертора (НИ). Стабилизация выходного напряжения в этой схеме обеспечивается за счет регулирования напряжения на входе конвертора с помощью 1, который обычно выполняется на тиристорах с фазовым управлением.

Рисунок 2.7 - Структурная схемы импульсного ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем

Для схемы, приведенной на рисунке 2.6 характерным является то, что инвертор должен быть рассчитан на работу от выпрямленного напряжения сети, которое имеет максимальное значение около 311В для однофазной сети и около 530 В для трехфазной сети. Кроме того, изменение частоты или скважности импульсов инвертора 2 приводит к ухудшению фильтрации выходного напряжения. В результате ухудшаются массогабаритные показатели фильтра 4, так как его параметры рассчитываются исходя из минимального коэффициента заполнения импульсов g min при условии непрерывности тока в нагрузке.

Положительными свойствами схемы рисунка 2.7 является совмещение функции преобразования напряжения и стабилизации выходного напряжения Uн. Это позволяет упростить схему управления 5, так как уменьшается число управляемых ключей. Кроме того, наличие паузы позволяет устранить сквозные токи в ключах инвертора. Достоинством схемы является также возможность обеспечить работу инвертора при пониженном входном напряжении (обычно его снижают в 1,5…2 раза, то есть до 130…200В). Это существенно облегчает работу ключей транзисторного инвертора. Другим достоинством этой схемы является то, что инвертор работает с максимальным коэффициентом заполнения g max импульсов, что существенно упрощает фильтрацию выходного напряжения. Исследование кпд и удельной мощности обоих схем показало, что эти показатели у них отличаются незначительно.

Схемы многоканальных ИВЭП с нерегулируемым выпрямителем 1 приведены на рисунках 2.8 и 2.9. В схеме на рисунке 2.8, используется нерегулируемый инвертор 2 и индивидуальные стабилизаторы 5…7 , в отдельных каналах. Такая структурная схема может использоваться при небольшом количестве выходных каналов. При увеличении числа выходных каналов схема становится неэкономичной.

Рисунок 2.8 - Структурная схема многоканального ИВЭП с индивидуальной стабилизацией

Схема, изображенная на рисунке 2.9, работает на принципе групповой стабилизации выходного напряжения. Для этого в ней применяется регулируемый инвертор, который управляется напряжением наиболее мощного из каналов. Стабилизация выходных напряжений в других каналах в этом случае ухудшается, так они не охвачены отрицательной обратной связью. Для улучшения стабилизации напряжения в других каналах, можно использовать дополнительные индивидуальные стабилизаторы, так же, как в схеме рисунка 2.8.

Рисунок 2.9 - Структурная схема ИВЭП с групповой стабилизацией

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:

выпрямителя сетевого напряжения;
генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
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:

Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
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:

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

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

Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
Нежелательная работа их без нагрузки;
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

В статье речь об импульсных блоках питания (далее ИБП), которые сегодня получили самое широкое применение во всех современных радиоэлектронных устройствах и самоделках.
Основной принцип заложенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Герц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.
Преобразование осуществляется с помощью мощных транзисторов, работающих в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый - выполняется по схеме импульсного автогенератора и второй - с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).
Поскольку частота преобразователя обычно выбирается в среднем от 20 до 50 килогерц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно минимизируются, что является очень важным фактором для современной аппаратуры.
Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением смотрите ниже:

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 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 тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем 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, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП.
Единственное что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ - это широтно-импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора T1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения - процесс обратный.
В ИБП используются 2 принципа реализации цепей слежения - «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный способ называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении 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.
С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. 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 из строя этого транзистора. 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 на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.
В заключении темы хотелось бы более подробно описать преимущества ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП, так как меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 85 %. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.
К минусам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым самим ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5 вольт) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 вольт. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

Импульсный источник питания – электронная схема, где входное напряжение выпрямляется, фильтруется, нарезается пачками импульсов высокой частоты для передачи через малогабаритный трансформатор. Блок становится управляемым, с гибко подстраиваемыми параметрами. Уменьшается масса самой тяжелой части источника – трансформатора. В англоязычной литературе такие приборы именуются Switching-Mode Power Supply (SMPS).

Прибор SMPS (импульсный источник питания)

Появление импульсных источников питания

Размеры трансформаторов волновали еще Теслу. Ученый повторяя опыт за опытом, установил: высокие частоты тока безопасны для человека, провоцируют большие потери в сердечниках трансформаторов. Результатом споров стало принятие частоты 60 Гц для строительства Ниагарской ГЭС. Начали с Николы Тесла, потому что это первый человек, который понял, что быстрые колебания механическим способом не получишь. Следовательно, приходится использовать колебательные контуры. Так появился трансформатор Тесла (22 сентября 1896 года), при помощи которого ученый задумал передавать на расстояние сообщения и энергию.

Суть изобретения описана в разделе про , приведем краткие сведения. Трансформатор образован двумя частями, включенными последовательно. Первичная обмотка первого подключалась к источнику переменного напряжения сравнительно низкой частоты. Благодаря низкому коэффициенту трансформации происходил заряд конденсатора, подключенного ко вторичной обмотке, до высокого потенциала. Напряжение достигало порога, пробивался разрядник, включенный параллельно конденсатору. Начинался колебательный процесс разряда через первичную обмотку второго трансформатора во внешнюю цепь. Тесла получал напряжения радиодиапазона амплитудой миллионы вольт.

Первые шаг в создании импульсных блоков питания, где напряжение сравнительно низкой частоты преобразуется в импульсы. Аналогичную конструкцию создал в 1910 году Чарльз Кеттеринг, оборудуя системы зажигания автомобилей. Импульсные блоки питания появились в 60-е годы. Идея минимизации размеров трансформаторов (после Николы Тесла) выдвинута компанией General Electric в 1959 году в лице Джозефа Мерфи и Фрэнсиса Старчеца (U.S. Patent 3,040,271). Идея не сразу нашла горячий отклик (отсутствовала подходящая элементная база), в 1970 году компания Тектроникс выпустила линейку осциллографов с новым источником питания.

Двумя годами позже инверторы находят применение в электронике (Patent US3697854 A), главное – появляются первые отечественные модели! Патенты ссылаются друг на друга, невозможно понять, кто первым предложил использовать идею в персональных компьютерах. В СССР разработки начались в 1970 году, связано с появлением в продаже высокочастотного мощного германиевого транзистора 2Т809А. Как оговаривается в литературе, первым в 1972 году добился успеха москвич, кандидат технических наук Л. Н. Шаров. Позже появился импульсный блок питания 400 Вт авторством А. И. Гинзбурга, С. А. Эраносяна. Вычислительные машины ЕС новинкой оборудованы в 1976 году коллективом под руководством Ж. А. Мкртчяна.

Первые импульсные блоки питания, известные отечественному потребителю по цифровым телевизорам и видеомагнитофонам, часто ломались, современные изделия лишены недостатка – работают непрерывно годами. Момент начала 90-х годов снабжает следующими сведениями:

Удельная мощность: 35 — 120 Вт на кубический дециметр.
Рабочая частота инвертора: 30 — 150 кГц.
КПД: 75 — 85%.
Время наработки на отказ: 50 — 200 тысяч часов (6250 рабочих дней).

Достоинства импульсных блоков питания

Линейные источники питания громоздкие, эффективность хромает. КПД редко превышает 30%. Для импульсных блоков питания средние цифры лежат в диапазоне 70 — 80%, существуют изделия, сильно выбивающиеся из ряда. В лучшую сторону, разумеется. Приводятся сведения: КПД импульсного блока питания достигает 98%. Одновременно снижаются требуемые фильтрации емкости конденсаторов. Энергия, запасаемая за период, сильно падает с повышением частоты. Зависит прямо пропорционально от ёмкости конденсатора, квадратично от амплитуды напряжения.

Повышение до частоты 20 кГц (в сравнении с 50/60) снижает линейные размеры элементов в 4 раза. Цветочки в сравнении с ожиданиями в радиодиапазоне. Объясняет причину оснащения приемников конденсаторами малого размера.

Устройство импульсных источников питания

Входное напряжение выпрямляется. Процесс осуществляет диодный мост, реже одиночный диод. Затем напряжение нарезается импульсами, здесь литература бодро переходят к описанию трансформатора. Читателей наверняка мучает вопрос – как работает чоппер (устройство, формирующее импульсы). На основе микросхемы, питающейся непосредственно сетевым напряжением 230 вольт. Реже специально ставится стабилитрон (стабилизатор параллельного типа).

Микросхема формирует импульсы (20 — 200 кГц), сравнительно малой амплитуды, управляющие тиристором или иным полупроводниковым силовым ключом. Тиристор нарезает высокое напряжение импульсами, по гибкой программе, формируемой микросхемой генератора. Поскольку на входе действует высокое напряжения, нужна защита. Генератор охраняется варистором, сопротивление которого резко падает при превышении порога, замыкая вредный скачок на землю. С силового ключа пачки импульсов поступают на малогабаритный высокочастотный трансформатор. Линейные размеры сравнительно невысоки. Для компьютерного блока питания мощностью 500 Вт умещается детской ладонью.

Полученное напряжения вновь выпрямляется. Используются диоды Шоттки, спасибо низкому падению напряжения перехода металл-полупроводник. Спрямленное напряжение фильтруется, подается потребителям. Благодаря наличию множества вторичных обмоток достаточно просто получаются номиналы различной полярности и амплитуды. Рассказ неполон без упоминания цепи обратной связи. Выходные напряжения сравниваются с эталоном (например, стабилитрон), происходит подстройка режима генератора импульсов: от частоты, скважности зависит передаваемая мощность (амплитуда). Изделия считаются сравнительно неприхотливыми, могут функционировать в широком диапазоне питающих напряжений.

Корпусной блок питания

Технология носит название инверторной, используется сварщиками, микроволновыми печами, индукционными варочными панелями, адаптерами сотовых телефонов, iPad. Компьютерный блок питания работает подобным образом.

Схемотехника импульсных блоков питания

Природой предоставлено 14 базовых топологий реализации импульсных блоков питания. С присущими достоинствами, уникальными характеристиками. Некоторые подходят созданию маломощных блоков питания (ниже 200 Вт), другие лучшие качества проявляют при питании сетевым напряжением 230 вольт (50/60 Гц). И чтобы выбрать нужную топологию, сумейте представить свойства каждой. Исторически первыми называют три:

Buck – бак, олень, доллар.
Boost – ускорение.
Polarity inverter – инвертор полярности.

Три топологии относятся к линейным регуляторам. Тип приборов считается предшественником импульсных блоков питания, не включая достоинств. Напряжение подается через трансформатор, спрямляется, нарезается на силовом ключе. Работой регулятора заведует обратная связь, в задачи которой входит формирование сигнала ошибки. Тип приборов составлял многомиллиардный оборот в 60-е годы, мог лишь понижать напряжение, а общий провод потребителя замыкался с сетью питания.

Buck топология

Так появились «олени». Первоначально предназначенные для постоянного напряжения нарезали входной сигнал импульсами, затем пачки спрямлялись, фильтровались с получением средней мощности. Обратная связь контролировала скважность, частоту (широтно-импульсная модуляция). Аналогичное делается сегодня компьютерными блоками питания. Практически сразу были достигнуты значения плотности мощности 1 — 4 Вт на кубический дюйм (впоследствии до 50 Вт на кубический дюйм). Прелестно, что стало можно получать множество выходных напряжений, развязанных со входом.

Недостатком сочтем потери в момент переключения транзистора, напряжение меняет полярность, остается ниже нуля до следующего импульса. Указанная часть сигнала, минуя диод, замыкается на землю, не доходя фильтра. Обнаружено существование оптимальных частот переключения, при которых издержки минимизируются. Диапазон 25 — 50 кГц.

Boost топология

Топология именуется кольцевым дросселем, ставится вперед ключа. Удается повысить входное напряжение до нужного номинала. Схема работает следующим образом:

В начальный момент времени транзистор открыт, дроссель запасается энергией источника напряжения через коллекторный, эмиттерный p-n-переходы, землю.
Затем ключ запирается, стартует процесс зарядки конденсатора. Дроссель отдает энергию.
В некоторый момент отрабатывает усилитель обратной связи, начинается питание нагрузки. Конденсатор неспособен отдать энергию в сторону силового ключа, мешает диод. Заряд забирает полезная нагрузка.
Падение напряжения вызовет повторное срабатывание цепи обратной связи, начнется накопление энергии дросселем.

Polarity Inverter топология

Топология полярного инвертора похожа на предыдущую схему, дроссель расположен за ключом. Работает следующим образом:

В этом случае наблюдаем параллельность процессов запасания/расходования энергии. Все три рассмотренные схемы демонстрируют следующие недостатки:

Имеется связь по постоянному току между входом и выходом. Другими словами, отсутствует гальваническая развязка.
Невозможно получить несколько номиналов напряжений из одной схемы.

Минусы устраняются двухтактной тяни-толкай (push-pull), запаздывающей (latter) топологиями. Обе используют чоппер с технологией опережения (forward). В первом случае используется дифференциальная пара транзисторов. Становится возможным использовать один ключ на половину периода. Для управления нужна специальная формирующая схема, попеременно раскачивающая эти качели, улучшаются условия отвода тепла. Нарезанное напряжение двухполярное, питает первичную обмотку трансформатора, вторичных много – сообразно требованиям потребителей.

В запаздывающей топологии один транзистор заменен диодом. Схема часто эксплуатируется маломощными блоками питания (до 200 Вт) с постоянным напряжением на выходе 60 — 200 В.

Импульсные источник питания(ИИП) на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах.

На рисунке3 представлена структурная схема импульсного источника питания, выполненного по традиционной схеме.вторичные выпрямители, выполняются по однополупериодной схеме. Названия этих узлов раскрывает их назначение и не нуждается в пояснении. Основными узлами первичной цепи являются: входной фильтр, выпрямитель сетевого напряжения и ВЧ Преобразователь выпрямленного питающего напряжения с трансформатором.

Сетевой выпрямительный фильтр

Трансформатор

ВЧ преобразователь

Вторичные выпрямители

Входной фильтр

Рисунок 3 - Структурная схема импульсного БП

Основной принцип, положенный в основу работы ИИП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения 220 вольт и частотой 50 Гц в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров) и второй с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Принципиальная схема импульсного БП с ВУ.

Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резистореR2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.

В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора рисунок 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема импульсного БП с ВУ.

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.

Защита ИИП от короткого замыкания.

Короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. 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 из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резисторRзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектораIк. 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 на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

В заключении необходимо подробно остановиться на достоинствах ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксальнозвучит, стоимость ИБП меньшетрадиционного БП т.к. меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 80%. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.

К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5В) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 В. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.