Трансформатор и блок питания: отличия и методы расчёта

Содержание
  1. Принцип работы ИБП
  2. Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП
  3. Входные цепи
  4. Высоковольтный выпрямитель и фильтр
  5. Инвертор
  6. Выпрямитель
  7. Фильтр
  8. Цепи обратной связи
  9. Чем отличается от трансформаторного блока питания
  10. Как работает трансформаторный блок питания
  11. Устройство импульсного блока питания и его принцип работы
  12. Достоинства и недостатки импульсных блоков питания
  13. Структуры и схемы блоков питания
  14. Как переделать трансформатор в БП или зарядное устройство своими руками
  15. Импульсный блок питания или линейный. История вопроса
  16. Импульсный блок питания. Стереотип «сложность»
  17. Импульсный блок питания. Стереотип «ненадёжность»
  18. Импульсный блок питания. Стереотип «помехи»
  19. Блок питания с силовым трансформатором
  20. Переделка электронного трансформатора
  21. Драйвер
  22. Схемы импульсных блоков питания
  23. Входной фильтр
  24. Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр
  25. Инвертор или блок ключей
  26. Силовой трансформатор
  27. Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

Принцип работы ИБП

Основная функция любого блока питания, в том числе импульсного, — это стабилизация напряжения в электрических сетях. ИБП — это устройство для выпрямления сетевого напряжения с последующим формированием высокочастотного электрического импульса.

Примечание!

В аналоговом блоке питания трансформаторного типа для изменения напряжения в сети используется трансформатор, питаемый от электрических сетей 220 В. ТБП предназначен для понижения напряжения в сети.

ТБП сейчас практически не используется в электрических устройствах из-за непрактичности и больших размеров.

Различия между импульсным и аналоговым блоком питания представлены в сравнительной таблице:

Имя UPS TBP
Характеристики проекта Компактный размер, обычно размещается внутри электрического устройства Внешний блок питания, большой и тяжелый
Принцип работы Он выпрямляет первичное входное напряжение, преобразовывая его в электрический импульс определенной частоты Уменьшите входное напряжение, можно преобразовать одностороннее пульсирующее напряжение в постоянный ток
Эффективность Около 98% потери энергии минимальны при преобразовании напряжения До 80%, довольно большие потери энергии из-за большого расхода энергии на работу
Потеря электричества во время работы Маленький Высокий
Наличие защиты Доступно в большинстве существующих моделей Большинство моделей отсутствуют
Цена Низкий из-за массового распространения и доступности компонентов Высокий. Большинство моделей устарели и сняты с производства, поэтому запчасти отсутствуют

Из таблицы видно, что преимущества импульсного блока питания перед трансформаторным очевидны.

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Конструктивная схема генератора импульсов сложнее, чем у трансформаторного источника. Чтобы понять принцип работы импульсного блока питания в целом, необходимо отдельно разобрать работу каждого узла.

Блок-схема импульсного блока питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузки в случае сбоя питания и от импульсных помех, возникающих во время работы устройства. Например, рассмотрим фильтр и защиту промышленного компьютера SMPS.


Входные цепи генератора импульсов MAV-300W-P4.

Предохранитель на 5 А перегорает при превышении номинального тока в аварийной ситуации в источнике питания. Для защиты от перенапряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме это не влияет на работу устройства. При скачке сети от отверстия резко увеличивается ее сопротивление, увеличивается ток через варистор. Это приведет к срабатыванию предохранителя.

Термистор THR1 отрицательного сопротивления изначально имеет высокое сопротивление и ограничивает ток, протекающий для зарядки конденсаторов фильтра выпрямителя высокого напряжения. Затем термистор нагревается протекающим по нему током, его сопротивление уменьшается, но к тому времени конденсаторы уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазная индуктивность FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Выпрямитель высокого напряжения обычно строится по традиционной двухполупериодной мостовой схеме и не имеет особых характеристик. Если в преобразователе используется полумостовая схема, фильтр состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов: так формируется средняя точка с напряжением, равным половине напряжения питания.


Участок схемы генератора импульсов с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и емкостным делителем напряжения C1-C2.

Иногда резисторы ставят параллельно конденсаторам. Они нужны для разгрузки контейнеров после отключения электроэнергии.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых переключателях (часто на транзисторах). Открывая и закрывая ключи, они подают на обмотку импульсы напряжения. Этот метод производит своего рода переменное напряжение (униполярное), которое можно обычным способом преобразовать в напряжение другого уровня.


Схемы транзисторных инверторов.

Простейшая схема преобразователя постоянного тока в импульс — несимметричная. Для его реализации понадобится минимум элементов. Недостаток такого агрегата в том, что с увеличением мощности резко увеличиваются габариты и вес трансформатора. Это связано с принципом работы такого преобразователя. Он работает в двух циклах: во время первого открыт транзистор, энергия накапливается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго накопленная энергия передается нагрузке. Чем больше мощность, тем больше индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (в результате увеличивается количество витков во вторичных обмотках).

Двухтактная схема со средней точкой (push-pull) лишена этого недостатка. Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые попеременно подключены ключами к отрицательной шине. На рисунке красная стрелка показывает направление тока для одного цикла, а красная стрелка — для другого. Обратной стороной является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичной обмотке, а также наличие перенапряжений в момент переключения. Их амплитуда может достигать двукратного значения питающего напряжения, поэтому необходимо использовать транзисторы с соответствующими параметрами. Назначение этой схемы — преобразователи низкого напряжения.

При перемычке инвертора выбросы отсутствуют. Мост состоит из четырех транзисторов, диагональ которых включает первичную обмотку трансформатора. Открытые транзисторы попарно:

  • первая петля — вверху слева и внизу справа;
  • вторая петля — нижний левый и верхний правый.

Обмотка подключается к плюсу блока питания то одним выводом, то другим. Недостаток — использование 4 транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом считается использование полумостовой схемы. Здесь один конец первичной обмотки включен, а другой подключен к делителю из двух конденсаторов. В этой схеме также нет скачков напряжения, но используются только два транзистора. Недостатком такого решения является то, что на первичную обмотку подается только половина питающего напряжения. Вторая проблема заключается в том, что при создании мощных источников увеличивается емкость конденсаторов делителя и их стоимость становится нецелесообразной.

Если ИИП построен по схеме с настройкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев управление ключами осуществляется не напрямую микросхемой ШИМ, а через промежуточный узел — драйвер. Это связано с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.

Фрагмент схемы промышленного импульсного источника — полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформатор T1.

В схемах всех преобразователей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие в себе свойства обоих типов.

Выпрямитель

Преобразованное напряжение во вторичных обмотках необходимо выпрямить. Если требуется выходное напряжение выше +12 В, можно использовать обычные мостовые схемы (как в высоковольтной части).


Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и двухполупериодного мостового выпрямителя.

Если напряжение низкое, полезно использовать двухполупериодные схемы средней точки. Их преимущество в том, что падение напряжения происходит только на одном диоде за каждый полупериод. Это уменьшает количество витков в обмотке. С этой же целью используются диоды Шоттки и группы на них. Недостатком такого решения является более сложная конструкция вторичной обмотки.


Схема выпрямителя со средней точкой и прохождением через нее тока.

Фильтр

Выпрямленное напряжение необходимо фильтровать. Для этого используются как традиционные конденсаторы, так и катушки индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели небольшие, легкие, но работают эффективно.


Схема фильтрующих цепей выходных каналов импульсного блока питания ЭВМ.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи используются для стабилизации и регулирования выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник не стабилизирован, у него нет этих цепей. Для устройств со стабилизацией тока или напряжения эти схемы выполнены на постоянных элементах (иногда с возможностью регулирования). Для регулируемых источников (лаборатория и т.д.) элементы управления включены в обратную связь для корректировки параметров в режиме онлайн.

Блок питания компьютера также имеет схему управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и так далее).

Чем отличается от трансформаторного блока питания

И трансформаторный (линейный), и импульсный (инверторный) источники питания выдают постоянное напряжение на выходе. Кроме того, последние имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто дешевле, к тому же напряжение более качественное и не зависит от параметров исходной синусоиды (а в наших сетях оно далеко не идеальное). Так почему же используются и трансформаторы, и импульсы? Чтобы понять, нужно знать, в чем разница между трансформатором и импульсным блоком питания. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. Исходя из этого, можно понять основные свойства.

Блок-схемы трансформаторов и импульсных источников питания

Как работает трансформаторный блок питания

В линейном источнике питания основное преобразование происходит через трансформатор. Его первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, вторичная обычно понижается. В случае с классическим трансформатором переменного тока, предложенным П. Яблочковым, он преобразует синусоидальное входное напряжение в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Следующий блок — выпрямитель, на котором сглаживается синусоида, она превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может быть автономным, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними заключается в частоте импульсов, которые мы получаем на выходе. Затем есть стабилизатор и фильтр, которые придают выходному напряжению желаемый уровень и форму. На выходе у нас постоянное напряжение.

Простейший линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Главный недостаток линейных блоков питания — их большие размеры. Они зависят от размера трансформатора: чем больше требуется мощность, тем больше размер блока питания. Еще нам нужен стабилизатор, который регулирует выходное напряжение, а это еще больше увеличивает размер, снижает КПД. Однако это устройство не создает потенциальных проблем с помехами для расположенного рядом оборудования.

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

В импульсном блоке питания преобразование более сложное. На входе находится сетевой фильтр, задача которого не допускать попадания в сеть генерируемых этим устройством высокочастотных колебаний. Они могут повлиять на работу ближайших устройств. Сетевой фильтр в бюджетных моделях не всегда стоит того, и часто это проблема нестабильной работы некоторых устройств, которую мы часто относим к «падению напряжения в сети».

Далее идет фильтр сглаживания, который выпрямляет синусоидальную волну. Полученное на его выходе пилообразное напряжение поступает на инвертор, преобразуясь в импульсы положительной и отрицательной полярности. Их параметры (частота и рабочий цикл) задаются через блок управления. Частоту обычно выбирают высокую — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие фазы преобразования — генерации импульсов — дало название этому типу преобразователя.

Блок-схема SMPS с осциллограммами напряжения в ключевых точках

Высокочастотные импульсы отправляются на трансформатор, который гальванически изолирован от сети. Эти трансформаторы имеют небольшие размеры, так как с увеличением частоты сердечников нужно все меньше и меньше. Кроме того, сердечник может состоять из ферромагнитных пластин (в линейных источниках питания он должен быть из более дорогой электромагнитной стали).

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр формирует постоянное напряжение на базе. Основное преимущество ИБП в том, что есть обратная связь, позволяющая настроить работу устройства так, чтобы выходное напряжение было близко к идеальному. Это обеспечивает стабильные выходные параметры, независимо от того, что мы имеем на входе.

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Для начала не сразу понятно, почему лучше использовать импульсные, а не линейные выпрямители. Дело не только в размерах и расходе материала. Дело в более стабильных параметрах, обеспечиваемых импульсными приборами. Качество выходного напряжения не зависит от качества сетевого напряжения. Это актуально для наших сетей. Но не только. Это свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и некоторых странах Европы разные. Не кардинально, но напряжение и частота разные. И зарядные устройства работают в каждом из них — это практично и удобно.

Размер тоже имеет значение

Кроме того, импульсные устройства имеют высокий КПД, до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, при этом трансформаторы тратят много энергии на непродуктивный нагрев. Кроме того, ИБП дешевле, но в то же время они надежны. Небольшие по размеру они позволяют получить широкий диапазон мощностей.

Но у импульсного блока питания есть серьезные недостатки. Во-первых, они создают высокочастотные помехи. Это вынуждает устанавливать на входе линейные фильтры. И они тоже не всегда справляются с поставленной задачей. Поэтому некоторые особо требовательные к качеству электроэнергии устройства работают только с линейными блоками питания. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет минимальное ограничение нагрузки. Если подключенное устройство имеет мощность ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Структуры и схемы блоков питания

Есть два типа ИБП: бестрансформаторный; Блок питания с трансформатором. В бестрансформаторных источниках питания импульсный ток поступает непосредственно на выпрямитель напряжения. Его схема проста и состоит из минимального набора элементов: специальной интегральной схемы и генератора ширины импульса. Бестрансформаторные блоки питания обладают малой мощностью. Поскольку в их цепи отсутствует гальваническое соединение с источником питания, существует вероятность поражения электрическим током.

Примечание!

Трансформаторные блоки питания более безопасны и надежны. Кроме того, они имеют небольшие размеры из-за количества витков обмотки, способного увеличить мощность блока питания.

Каждый виток обмотки имеет свой выпрямитель напряжения, что обеспечивает его стабильность на выходе. В большинстве настольных ПК используются блоки питания с силовыми трансформаторами.

Типовая схема питания трансформатора состоит из:

  • сетевой фильтр с шумоглушителем;
  • выпрямитель;
  • фильтр сглаживания;
  • преобразователь ширины импульса;
  • ключевой транзистор;
  • высокочастотный выходной трансформатор;
  • индивидуальные групповые и выходные фильтры;
  • выпрямитель.

Как переделать трансформатор в БП или зарядное устройство своими руками

В качестве источника питания нельзя использовать обычный трансформатор, так как на его выходе получается переменное напряжение высоких частот. Кроме того, большинство этих устройств не могут работать без минимальных нагрузок и нуждаются в улучшении. Ниже описано, как сделать зарядное устройство из электронного трансформатора своими руками. При этом разбирать его не нужно, достаточно вставить в него небольшую плату.

Плата построена на диоде Шоттки и фильтрующем конденсаторе. Также для запуска питания нужно подключить к его выходу лампочку. Выбор диода производится по доступным параметрам выходного напряжения и максимального тока.

Важно! Максимальное обратное напряжение диода должно быть в несколько раз выше выходного напряжения электрического трансформатора.

Эта схема отлично работает и выдает постоянный сглаженный ток. При желании можно установить более дорогое фильтрующее устройство и несколько конденсаторов. При регулярном использовании такого блока питания следует устанавливать его на радиатор отопления.
Модернизация трансформаторного устройства

Импульсный блок питания или линейный. История вопроса

Наверное, не секрет, что большинство технически грамотных специалистов по питанию, радиолюбители и покупатели настороженно относятся к импульсным источникам питания, отдавая предпочтение линейным.

Причина проста и очевидна. Репутация импульсных блоков питания была серьезно подорвана в 1980-е годы, во время массовых отказов отечественных цветных телевизоров, некачественной импортной видеоаппаратуры, оснащенной первыми импульсными блоками питания.

Что у нас сегодня? Практически все современные телевизоры, видеоаппаратура, бытовая техника, компьютеры используют импульсные блоки питания. Все меньше и меньше приложений для линейных источников (аналоговых, параметрических). Линейный блок питания сегодня в бытовой технике практически не встречается. Но стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на стремительный прогресс электроники, преодоление стереотипов идет очень медленно.

Попробуем объективно взглянуть на текущую ситуацию и попытаться изменить мнение экспертов. Рассмотрим «стереотипные» и присущие импульсным источникам питания недостатки: сложность, ненадежность, помехи.

Импульсный блок питания. Стереотип «сложность»

Да, импульсные блоки питания сложны, точнее, сложнее аналоговых, но намного проще, чем компьютер или телевизор. Не обязательно разбираться в их схемах, как и схемах цветного телевизора. Оставьте это профессионалам. Для профессионалов нет ничего сложного.

Импульсный блок питания. Стереотип «ненадёжность»

Основание импульсного блока питания не стоит на месте. Современное оборудование, используемое в импульсных источниках питания сегодня, позволяет с уверенностью утверждать: ненадежность — это миф. В основном надежность импульсного блока питания, как и любого другого оборудования, зависит от качества используемой элементной базы. Чем дороже импульсный блок питания, тем дороже база элемента в нем. Высокая степень интеграции позволяет реализовать большое количество интегрированных защит, которые иногда отсутствуют в линейных источниках.

Импульсный блок питания. Стереотип «помехи»

В схемах импульсного питания заложено формирование мощных импульсов и затухающих колебаний в обмотках трансформатора. Эти процессы переключения приводят к появлению широкого спектра паразитного излучения. Следовательно, корпус и соединительные провода источника могут стать антенной, излучающей радиопомехи. Но если тщательно проработать конструкцию импульсного блока питания, о помехах можно забыть. Кроме того, благодаря современным технологиям импульсные блоки питания позволяют значительно снизить пульсации сетевого напряжения.

Блок питания с силовым трансформатором

Есть два типа силовых трансформаторов для ИБП: с серпом и без серпа. Оба типа могут использоваться для установки в импульсных источниках питания.

Наклонный трансформатор состоит из трех обмоток, первичная цепь — это 1 обмотка, состоящая из двух полуобмоток по 20 витков каждая, а вторичная цепь также состоит из двух полуобмоток, соединенных в оплетку. Каждая полуобмотка состоит из семи витков, последовательно соединенных друг с другом по электрической цепи, каждый виток равен 1 Вольт. Последовательное соединение обмоток друг с другом увеличивает мощность.

Использование силовых трансформаторов для импульсного питания обусловлено рядом преимуществ:

  • последовательное соединение обмоток трансформатора обеспечивает стабильность напряжения в агрегате;
  • простота сборки и доступность элементов;
  • возможность увеличения мощности силы тока за счет количества обмоток;
  • низкое энергопотребление.

Силовые трансформаторы имеют следующие недостатки:

  • при ненадежной изоляции подключений к косе возможно короткое замыкание;
  • индукция электромагнитного поля может вызвать помехи.

Переделка электронного трансформатора

Хороший и достаточно компактный блок питания может состоять из так называемого электронного трансформатора (ЭТ), предназначенного для питания низковольтных галогенных ламп.

Но чтобы использовать трансформатор в сочетании с отверткой, его (агрегат) необходимо доработать. Давайте посмотрим на классическую схему более простого ET.

Это простейший импульсный понижающий источник питания, собранный по двухтактной схеме. Выходное напряжение снимается со вторичной обмотки выходного трансформатора. Схема, представленная на рисунке, конечно, не единственная. Есть устройства попроще, есть устройства посложнее. Доступен со стабилизацией выходного напряжения, системой плавного пуска и защитой от короткого замыкания. Но нас интересует неотъемлемая часть любого электронного преобразователя. Так в чем же трудность?

Проблема в том, что выходное напряжение таких блоков питания регулируется с частотой в десятки килогерц и даже модулируется с частотой 50 Гц, подходит для питания ламп накаливания, но не подходит для отвертки. Значит, его нужно расправить и разгладить. Для этого воспользуемся диодом VD1 и двумя сглаживающими конденсаторами — С1 и С2, подключив их по следующей схеме.

Индикатор H1 действует как индикатор нагрузки, когда отвертка выключена. Необходимо запустить преобразователь: без нагрузки он просто не запускается. Высоковольтный электролитический конденсатор можно взять от блока питания компьютера или любого другого устройства, например, от телевизора с импульсным блоком питания. Он расположен в корпусе электронного трансформатора. Диод и конденсатор помещены в корпус прибора, а лампа установлена ​​таким образом, чтобы также освещать рабочее место: убила, как говорится, двух зайцев. Такой светильник будет намного удобнее стандартного освещения, которое включается только с помощью инструмента. Слепо цельтесь в темноте, затем включите отвертку и посмотрите, куда вы попали.

Диод КД2960 — это быстродействующий выпрямительный диод, рассчитанный на ток 20А и выдерживающий обратное напряжение до 1200 В. Его зарубежный аналог — 20ЕЦ12. Заменить этот диод на обычный выпрямитель не получится — у него слишком малая скорость, и на частоте в десятки килогерц он больше нагреется, чем распрямится.

Но есть замена. Вполне подойдет диод Шоттки, выдерживающий ток 15-20 А и обратное напряжение не менее 25 В. Такие диоды можно встретить в блоках питания ПК. Там они служат той же цели. Диод, конечно же, нужно поставить на радиатор.

Миниатюрная лампочка. Его можно встретить в советских новогодних венках или использовать два 6,3В, соединенных последовательно. Собираем выпрямитель, помещаем в чемодан для инструмента, выводим провода через просверленное отверстие, припаиваем часть разъема. Второй припаиваем к проводам трансформатора и капитальный ремонт завершен. Поскольку напряжение на выходе электронного трансформатора переменное, полярностью подключения проводов от ЕТ к выпрямителю можно пренебречь.

Как было сказано выше, существуют трансформаторы, обеспечивающие плавный пуск галогенных ламп. Подойдут ли они нам? Скорее. Как только мы подключим ЕТ к сети, он запустится и через 1-3 секунды войдет в рабочий режим — это будет хорошо заметно по регулярному миганию лампы H1. После этого инструмент можно использовать без проблем.

Важно! Выбирая электронный трансформатор без защиты от перегрузки, необходимо обеспечить его запас мощности 30-40%. Иначе блок не будет «тянуть» инструмент или (что более вероятно) просто выгорит.

Драйвер

Использование драйвера вместо трансформаторного блока связано с особенностями работы светодиода, как неотъемлемого элемента современного светотехнического оборудования. Дело в том, что любой светодиод — это нелинейная нагрузка, электрические параметры которой меняются в зависимости от условий эксплуатации.

Вольт-амперная характеристика светодиода
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика светодиода

Как видите, даже при незначительных колебаниях напряжения произойдет значительное изменение силы тока. Особенно отчетливо такие различия ощущаются мощными светодиодами. Кроме того, в работе присутствует температурная зависимость, поэтому падение напряжения от нагрева элемента уменьшается, а ток увеличивается. Такой режим работы крайне негативно влияет на работу светодиода, из-за чего он быстрее выходит из строя. Невозможно подключить его напрямую от сетевого выпрямителя, для которого используются драйверы.

Особенность драйвера светодиода заключается в том, что он обеспечивает одинаковый ток от выходного фильтра, независимо от величины напряжения, приложенного к входу. Конструктивно современные драйверы для подключения светодиодов могут быть выполнены как на транзисторах, так и на базе микросхемы. Второй вариант набирает все большую популярность благодаря лучшим характеристикам драйверов, более простому контролю рабочих параметров.

Ниже приведен пример того, как работает драйвер:

Пример пилотной схемы
Рис. 4. Пример схемы управления

Здесь на вход выпрямителя сетевого напряжения VDS1 подается переменное значение, затем выпрямленное напряжение в драйвере передается через сглаживающий конденсатор С1 и полуплечо R1 — R2 на микросхему BP9022. Последний генерирует серию импульсов ШИМ и передает их через трансформатор на выходной выпрямитель D2 и выходной фильтр R3 — C3, который используется для стабилизации выходных параметров. За счет введения дополнительных резисторов в цепь питания микросхемы такой драйвер может регулировать значение выходной мощности и управлять интенсивностью светового потока.

Схемы импульсных блоков питания

Чтобы понять, как работает импульсный блок питания, необходимо понимать, что происходит в каждой из его частей. Проще это делать по схемам. Приведем лишь некоторые, так как существует множество вариантов и вариаций. Схема импульсного питания содержит пять необходимых блоков плюс обратная связь. Здесь мы поговорим о каждом элементе отдельно, попутно предоставим полную схему ИБП с использованием различных базовых элементов.

Вариант импульсного блока питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярностью

Входной фильтр

Как мы уже говорили, входной фильтр установлен таким образом, что высокочастотные помехи, создаваемые блоком питания, не попадают в сеть. В простейшей форме это устройство представляет собой индуктивность, подавляющую электромагнитные помехи, и два конденсатора, подключенных параллельно входу и нагрузке.

Более простая схема входного фильтра

Используются специальные конденсаторы — типа X. Конденсаторы X были специально разработаны для этой цели. Они выдерживают мгновенные скачки напряжения в киловольтах (до 2,5 кВ), тем самым подавляя межфазные помехи (противофазные помехи). Индуктивность представляет собой ферритовый сердечник со спиральными окрашенными медными проводами. Он индуцирует токи, которые нейтрализуют мешающие токи.

Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, возникающие между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавлены два конденсатора Y-типа (выдерживающие скачки напряжения до 5 кВ). Особая конструкция Y-конденсатора обеспечивает разрыв цепи, а не короткое замыкание в случае отказа.

Оба типа конденсаторов (X и Y), которые устанавливаются во входные фильтры, изготовлены из специальных негорючих материалов, так как они могут нагреваться до очень высоких температур и стать причиной пожара. Именно в этом, а также в конструктивных особенностях кроется причина их дороговизны (по сравнению с обычными).

Схема компенсации всех видов помех

Но для правильной работы этой схемы требуется рабочий грунт. Его необходимо подключить к корпусу блока питания. Незаземленный корпус источника питания будет запитан приблизительно от 110 В. Ток будет очень небольшим, но контакт будет ощущаться.

Сетевой выпрямитель и сглаживающий фильтр

Как упоминалось выше, выпрямитель предварительно выпрямляет синусоидальную волну. Если установлен диод, он прерывает нижние полуволны (отрицательные.

Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей. При использовании диода низкий КПД и большая пульсация выпрямленного напряжения. По этим причинам предпочтительна четырехдиодная мостовая схема

В простейшем случае выпрямитель представляет собой диод Шоттки, но также можно использовать диодный мост с параллельно подключенным конденсатором. Для диодных мостов часто используются обычные диоды типа 1N4007, но все же лучше установить все те же диоды Шоттки. Они «быстрее», поэтому вы можете получить лучшие результаты.

Различные схемы фильтров разной степени сложности

Диод устанавливается в блоки питания для недорогого оборудования. На его выходе напряжение принимает форму положительных полуволн, которые идут с некоторыми интервалами. На выходе диодного моста пульсации намного меньше, поэтому такой выпрямитель устанавливается для устройств, требующих большей мощности. Пульсирующее напряжение с выхода диод / диодный мост подается на конденсатор (он должен быть рассчитан на напряжение 270-400 В), который создает «зубцы» из полуволн. Здесь мы уже получаем более-менее стабильное постоянное напряжение.

Инвертор или блок ключей

В следующем блоке выпрямленное напряжение преобразуется в импульсы. Частота импульсов высокая — от 10 до 50 кГц. Реализовать эти блоки можно двумя способами: с помощью микросхем, основанных на осцилляторе (генераторе блоков).

Еще одна блок-схема ИИП

Во втором случае используется пара транзисторов, которые включаются поочередно, формируя на выходе последовательность импульсов. Частота переключения задается генератором. Такие схемы есть сейчас, но большинство из них реализовано на микросхемах.

Пример схемы транзисторного инвертора

Если есть микросхема, зачем ограждать огород из нескольких десятков частей. Кроме того, требуемый тип микросхемы широко распространен и недорог. Это так называемые ШИМ-контроллеры (TL494, UC384x, DH321, TL431, IR2151, IR2153 и др.). К этим микросхемам нужно всего лишь добавить пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получить необходимый инвертор.

Схема SMPS с ШИМ-контроллером для обратноходовых и полумостовых преобразователей

Контроллер PWM отлично адаптируется к любому типу схемы. Он совместим со схемами обратного хода, полумостового и мостового выпрямителей. Конечно, количество элементов разное, но все они простые и недорогие.В обратных схемах транзисторы должны быть рассчитаны на большее напряжение, чем подаваемое на входе.

Устройство источника импульсного напряжения с ШИМ и двухтактным контроллером и мостовым выпрямителем

Импульсные источники питания в осветительных приборах, энергосберегающие лампы и светодиоды, электронные балласты для люминесцентных ламп (ЭПРА) построены по полумостовым схемам. Мостовые схемы используются в более мощных агрегатах. Например, при инверторной сварке.

Есть и более «серьезные» контроллеры, которые параллельно с работой проверяют параметры входного и выходного напряжения и в случае неисправности просто прекращают свою работу. Поскольку этот компонент обычно самый дорогой в импульсном блоке питания, это очень хорошо. Заменив неисправные детали (обычно резисторы или конденсаторы) получаем исправный агрегат.

Силовой трансформатор

Трансформаторная сборка на блоке питания — одна из самых стабильных. Помимо самого трансформатора, этот блок содержит небольшую группу элементов, которые нейтрализуют всплески тока, возникающие на обмотках трансформатора при изменении полярности. Эта группа называется «демпферная».

Рассматриваемый блок обведен красным, а демпфер — зеленым

Трансформатор — один из самых надежных элементов. У него редко бывают проблемы. Он может быть поврежден из-за отказа инвертора. В этом случае через обмотку протекает слишком сильный ток, который разрушает трансформатор.

Блок-схема силового трансформатора для ИИП

Все работает следующим образом:

  • В первом цикле импульсного источника питания ключ VT1 (полевой транзистор с наведенным каналом n-типа) открыт. Ток течет по первичной обмотке трансформатора, заряд накапливается в сердечнике.
  • На втором такте ключ замыкается, ток течет во вторичную обмотку через диод VD2.
  • При включении первичной обмотки происходит выброс, вызванный несовершенными деталями. Вот тут-то и пригодится демпфер. Его задача — поглотить этот пик, так как напряжение может быть достаточно большим и может повредить транзистор переключателя, что приведет к неработоспособности схемы. Пиковый ток протекает через первичную обмотку трансформатора, диод VD1, через резистор R1 и емкость C2.
  • Потом полярность снова меняется, кнопка BT1 срабатывает.

Номинальные характеристики подбираются исходя из параметров трансформатора. Подборка сложная, поэтому описывать ее нет смысла. И еще: не все схемы имеют демпфер, но его наличие повышает надежность и стабильность импульсного блока питания.

Несколько слов о диодах, используемых в демпферах. Это может быть обычный диод, подобранный исходя из параметров, но схемы с стабилитроном более надежны. Также может быть вариант без резистора и емкости, но с подавителем, переключенным на противоположное (на схеме ниже).

Другой вариант блока силового трансформатора, в котором используется ограничитель (защитный диод) D1

Супрессор — это защитный диод, принцип работы аналогичен стабилитрону, только уравниваются импульсный ток и рассеиваемая мощность. Он может быть асимметричным и симметричным.

Выходной выпрямитель и фильтр, стабилизатор

По этому можно понять схему импульсного блока питания, так как выходной выпрямитель и фильтр устроены по одному принципу. Элементы могут быть разными, но схемы одинаковые. Единственное, что нужно учитывать, — это стабилизация выходных параметров. Это дополнительная деталь, но такой импульсный блок питания более надежен.

В дешевых блоках питания используется самый простой и дешевый способ стабилизации — обратная связь на пассивных элементах. На схеме ниже это два резистора R6 и R7, подключенные к вспомогательной обмотке силового трансформатора. Не очень надежный из-за влияния между обмотками, но простой и дешевый.

Простой способ стабилизировать

Второй вариант стабилизатора выходного напряжения выполнен на стабилизаторе VD9 и оптроне HL1. Выходное напряжение — это сумма падения напряжения на стабилитроне и напряжения на оптроне. Это чуть более надежная схема для ИИП средней мощности.

Стабилизация выхода ИИП с помощью стабилитрона и оптрона.

Наиболее стабильными выходными индикаторами являются схемы SMPS со стабилизатором TL431.

TL431 — это интегральная схема для трехконтактного регулируемого параллельного регулятора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. Благодаря внешнему делителю TL431 способен стабилизировать напряжение от 2,5 до 36 В при токе до 100 мА.

ИБП, в которых используется микросхема TL431, более сложны, но надежны. В таких схемах может быть подстроечный переменный резистор, позволяющий изменять выходное напряжение в небольшом диапазоне. Обычно подстройка составляет не более 20%, иначе схема может быть нестабильной.

Схема со стабильным выходным напряжением

Если нет необходимости в регулировке выходного напряжения, лучше заменить резистор отсечки на нормальный, так как переменные менее надежны.

Несколько слов о резисторе R20 (см. Схему выше), который находится на выходе. Это так называемый подтягивающий резистор. Как известно, ИИП без нагрузки работать не будет. Таким образом, на выходе ставится сопротивление, обеспечивающее минимальную нагрузку. Но это решение не идеальное, так как сопротивление перегревается и иногда очень сильно. Ставить рядом конденсаторы крайне нежелательно, иначе они тоже перегреются. А в качестве выходного сопротивления следует использовать высокоточные резисторы, так как они мало меняют свои параметры при нагреве (блок выдает стабильное напряжение даже при длительной работе).

Оцените статью
Блог о трансформаторах
Adblock
detector