8-900-374-94-44
Также потребуется произвести расчет резистора, ограничивающего ток оптопары, таким образом, чтобы при номинальном напряжении на выходе через оптопару протекал ток равный 10мА.
В данном примере применен трансформатор ETD29, но если у вас в наличии имеется другой трансформатор, то просто измените размер трансформатора, а дальше скопируйте трассировку платы автора.
После того, как плата была нарисована, автор сделал сначала, так сказать, макет широко известным методом ЛУТ.
Ниже представлен интерфейс данной программы.
Пример намотки трансформатора сейчас перед вами:Видео:
youtube.com/embed/TCP9FzHEh-c?feature=oembed» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»/>
Автор Акум Эксперт На чтение 9 мин Просмотров 11.1к. Опубликовано
Во многих радиолюбительских конструкциях используются импульсные блоки питания (БП). Они отличаются небольшими размерами при значительной мощности. Такое уменьшение стало возможным благодаря высокой частоте. На таких частотах можно получить на выходе большое напряжение при небольшом количестве витков. Например, чтобы получить напряжение 12 В при токе равном 1 А, требуется намотать всего пять витков.
Кроме того, импульсные БП имеют высокий коэффициент полезного действия, так как потери на трансформаторе очень небольшие.
Эти блоки питания имеют и недостатки: они создают высокочастотные помехи и предъявляют высокие требования к нагрузке. Последняя не должна быть больше или меньше той, на которую рассчитан блок питания.
Иногда покупка готового импульсного блока питания является экономически нецелесообразной. В таком случае, если вы разбираетесь в электронике и умеете паять, можете сами сделать импульсный БП. Он пригодится для питания различного низковольтного электроинструмента, чтобы избежать расходования ограниченного ресурса дорогой аккумуляторной батареи. Можно также сделать зарядное устройство для смартфона, ноутбука или других мобильных гаджетов.
Прежде чем приступить к изготовлению источника питания, нужно знать, где он будет использоваться. В зависимости от области его применения определяется мощность изделия.
Мощность должна выбираться с запасом. Считается, что импульсный блок питания имеет самый высокий КПД при нагрузке 60-90%.
Кроме того, требуется выбрать схему источника питания, а также определить, должно ли на выходе быть стабильное напряжение и нужно ли для этого вводить обратную связь. Обратите внимание на его номинальные параметры: напряжение, ток и мощность.
На вход импульсного блока питания подается переменное напряжение от электрической сети. Оно преобразуется в постоянное с помощью выпрямителя и фильтра. В качестве фильтра используется конденсатор большой емкости. В качестве выпрямителя используется однополупериодная или двухполупериодная схема. Ниже приведены типовые схемы, но в нашем случае мы не берем во внимание то, что на них изображена обмотка трансформатора.
Схемы выпрямителейЗатем выпрямленное напряжение приходит на высокочастотный преобразователь, который генерирует электрические колебания с частотой в диапазоне от 20 кГц до 50 кГц.
После этого напряжение понижается трансформатором до требуемого и снова выпрямляется, сглаживаясь конденсатором.
Такое отфильтрованное и выпрямленное постоянное напряжение используется для питания бытовой техники. Кроме того, с выхода БП идёт цепь обратной связи для регулирования выходного напряжения.
Схема работы импульсного блока питанияДля управления и стабилизации напряжения на выходе источника питания используется широтно-импульсная модуляция. Как показано на схеме, высокочастотный преобразователь приводится в действие генератором ШИМ и таким образом регулирует напряжение, подаваемое на понижающий трансформатор. Обратная связь является отрицательной, то есть значения напряжения на ШИМ контроллере и на понижающем трансформаторе обратно пропорциональны друг другу. Так, при увеличении выходного напряжения растет также напряжение на контроллере. Благодаря отрицательной связи уменьшается напряжение на понижающем трансформаторе, а значит, и на выходе блока питания.
В зависимости от конструкции сетевого выпрямителя выделяют три разновидности схем импульсного блока питания:
Основной недостаток в том, что необходимо организовывать среднюю точку во входном трансформаторе;По конструкции высокочастотного преобразователя импульсные блоки питания делятся на две категории: однотактные и двухтактные. Двухтактные источники питания могут быть спроектированы по следующим схемам: с нулевой точкой (пушпульная), полумостовая и мостовая.
Кроме вышеперечисленных схем преобразователя, существует отдельная разновидность конструкций – это обратноходовые преобразователи. Их основными элементами являются накопительные дроссели. Работа в таких схемах происходит в два этапа. Первый заключается в накоплении энергии, полученной от источника питания, в дросселе. Во время второго этапа запасенная энергия передается во вторичную цепь. На первом шаге ключ замкнут, и напряжение источника питания прикладывается к дросселю (первичной обмотке трансформатора).
В результате ток в первичной цепи возрастает, а вместе с ним и магнитный поток. Ток во вторичной цепи отсутствует, так как диод препятствует его росту. На второй стадии ключ размыкается, и ток, проходящий через первичную обмотку, пропадает. Однако магнитный поток не может мгновенно исчезнуть, и во вторичной цепи индуцируется ЭДС, направленное в обратную сторону. Затем начинает протекать ток, который открывает диод. В результате энергия запасается на конденсаторе и поступает на нагрузку. На первом этапе на нагрузку подается энергия, запасенная конденсатором во время второго этапа. Рассматривая схемы, обратите внимание на точки около обмоток трансформатора — это точки начала обмоток, и для обратноходового преобразователя характерно именно такое подключение элементов.
Этапы работы обратноходового источника питанияДля тех, кто хочет собрать импульсный блок питания своими руками, приведем несколько схем сборки.
Рассмотрим схему импульсного блока питания мощностью до 2 Вт.
Выпрямитель и фильтр в нем собраны на резисторе R1 (от 25 до 50 Ом), диоде VD1 и конденсаторе С1 (20,0 мкФ, 400 В). В качестве высокочастотного преобразователя выступает автогенератор, собранный на транзисторе VT1, трансформаторе TR1, частотозадающей цепи резисторе R2 (470 кОм) и конденсаторе С2 (3300 пкФ, 1000 В). Напряжение, снимаемое с выходной обмотки трансформатора, выпрямляется диодом VD2 и сглаживается электролитическим конденсатором С3 (47 пФ, 50 В).
В качестве сердечника для трансформатора подойдет любой от нерабочего трансформатора, использовавшегося в зарядке мобильного телефона или в другом маломощном источнике питания. Намотка происходит в следующем порядке:
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопросВнимание! Между половинками магнитного сердечника должен присутствовать небольшой немагнитный зазор. Обычно он уже есть на сердечниках, взятых с трансформаторов зарядных устройств смартфонов. Если его нет, положите слой бумаги между половинками сердечника.
Готовый трансформатор стягиваем изолентой или скотчем.
Готовый трансформатор в сбореРассмотрим однотактный блок питания, сделанный по автогенераторной схеме с самовозбуждением. Напряжение на выходе – 16 В, мощность устройства – 15 Вт.
На входе устройства переменное напряжение электрической сети выпрямляется при помощи диодного моста, собранного на диодах D1-D4 (можно использовать любые диоды, рассчитанные на напряжение 400 В и ток 0,5 А, например, N4007). За сглаживание пульсаций отвечает конденсатор С1 (20 мкФ, 400 В).
Для предотвращения броска тока при включении служит резистор R1 (25-50 Ом).
Начальное смещение на базе транзистора Т1 (можно использовать 13003 или 13005) устанавливается резистором R2 (470 кОм) и диодом D6 (N4007). Чтобы сгладить скачки напряжения, возникающие при закрытии Т1, в схему включены такие элементы, как: конденсатор С2 (3300 пФ 1000 В), диод D5 (N4007) и резистор R3 (30 кОм 1 Вт либо можно использовать два резистора по 15 кОм).
Импульсы положительной обратной связи, необходимые для поддержания режима автоколебаний, через резистор R4(150 Ом) и конденсатор С3(47 пФ, 50 В) подаются на базу Т1. Цепочка состоящая из Т2, R5 (1,5 кОм), Д9 (стабилитрон КС515), нужна для стабилизации напряжения.
Высокочастотный преобразователь собран по обратноходовой схеме. Когда Т1 открыт, энергия накапливается на трансформаторе, при этом диод D7 (КД213 использовать совместно с радиатором площадью 10 см2) находится в закрытом состоянии. После закрытия транзистора Т1 происходит отдача запасенной магнитной энергии, диод D7 открывается, во вторичной цепи появляется ток, конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается.
Конденсаторы С4 (2200 пФ) и С5 (0,1 мкФ) нужны для уменьшения помех.
Стабилизация выходного напряжения происходит по схеме, описанной далее. При включении прибора в сеть запускается генератор. На вторичной обмотке появляется напряжение. Конденсатор С6 (100,0 мкФ, 25 В) заряжается. Когда напряжение на нем превысит 16,3 В открывается стабилитрон D9 (КС515). Транзистор Т2 (КТ603) открывается и закорачивает эмиттерный переход Т1. Транзистор Т1 закрывается, генератор перестает работать, и конденсатор С6 начинает разряжаться. Когда напряжение на С6 становится меньше 16,3 вольт, стабилитрон D9 закрывается и закрывает Т2. Благодаря этому Т1 открывается и работа генератора возобновляется.
Первичная обмотка w1 трансформатора намотана проводом 0,25 мм и имеет 179 витков. В базовой обмотке w2 присутствуют два витка, намотанных тем же проводом. Вторичная обмотка w2 состоит из 14 витков провода 0,6-0,7 мм.
Лампочки можно взять любые маломощные, рассчитанные на напряжение от 24 до 36 В и ток от 100 до 200 мА.
Рассмотрим импульсный БП с выходной мощностью 300 Вт.
Генератором в данной конструкции является интегральная микросхема TL494. Управляющие сигналы с выхода этой ИС подаются поочередно на МОП (MOSFET) транзисторы VT1 и VT2 (IRFZ34). Импульсы с этих транзисторов через трансформатор, формирователь импульсов приходят на мощные транзисторы VT3 и VT4 (IRFP460). Преобразователь сделан на мощных транзисторах VT3 и VT4 по полумостовой схеме.
Схема мощного блока питанияВсе четыре обмотки трансформатора TR1 намотаны проводом 0,5 мм и содержат по 50 витков. В трансформаторе TR2 первая обмотка состоит из 110 витков провода диаметром 0,8 мм. Количество витков обмотки номер два зависит от желаемого напряжения на выходе, из расчета один виток на два вольта. Обмотка три наматывается 12 витками провода диаметром 0,8 мм.
Перед первым включением БП нужно проверить. В первую очередь проверяется монтаж, например, могли остаться следы от пайки, несмытый флюс.
Какой-либо компонент, установленный на плате, может оказаться неисправным.
Если с монтажом все в порядке, можно приступать ко второй стадии проверки с помощью лампочки. В качестве лампочки можно использовать любую лампу накаливания. Для этого подключаем изготовленный нами источник питания последовательно с лампочкой, как показано на рисунке ниже.
Схема проверки с помощью лампочки.Если лампочка не светится, значит, в цепи БП есть обрыв. Нужно проверить дорожки платы, дроссель, диодный мост.
Лампочка постоянно горит. В блоке питания короткое замыкание. Причина может быть в пробое конденсаторов, транзисторов. Нужно также проверить дорожки печатной платы, выходные цепи трансформатора.
Если лампочка вспыхнула и погасла, значит, БП исправен, конденсаторы зарядились.
Мы имеем множество различных устройств, подключая которые к сети мы даже не задумываемся о том, какое питание им необходимо. Значительная часть бытовой техники имеет импульсный блок питания. Даже светодиодные или люминесцентные цокольные лампы имеют встроенный источник импульсного питания (ИИП).
Содержание статьи
В сети напряжение имеет синусоидальную форму. Для некоторых устройств это то что нужно, другим надо постоянное или импульсное напряжение. Вот этим и занимаются источники питания — преобразуют синусоидальную форму в нужную и, чаще всего, это постоянное напряжение. Независимо от формы выходного напряжения блок питания называют импульсным, потому что одна из стадий преобразования — формирование импульсов, которые затем выпрямляются.
Примеры импульсных блоков питания:
Импульсный блок питания Robiton EN5000S. Предназначен для питания от источника переменного тока 100-240В приборов с напряжением 6,0 / 7,5 / 9,0 / 12,0 / 13,5 / 15 / 16В и максимальным входным током 5000 мА
Есть импульсные источники питания выдающие постоянное напряжение одного номинала. Наиболее распространенные на — 5 В, 12 В или 24 В. Есть устройства, выдающие сразу несколько уровней. Такие, например, стоят в компьютерах. На выходе они формируют сразу 5 В и 12 В. Есть — регулируемые ИИП, при помощи переключателей в них можно задавать выходные параметры (в определенных рамках). Импульсный блок питания может быть в виде отдельного устройства или являться частью какого-то более сложного прибора.
Путь преобразования синусоиды в постоянное напряжение при помощи источника импульсного питания
Если говорить об отдельных ИБП, то самыми распространенными, пожалуй, являются зарядные устройства для телефонов, ноутбуков. Они имеют компактные размеры, так как требуется небольшая мощность. Встроенный импульсный блок питания есть в телевизорах, компьютерах и другой сложной электронике, в некоторых бытовых приборах. Блоки питания бывают линейные (трансформаторные) или импульсные (инверторные).
Инвертор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.
Оба типа блоков питания преобразуют синусоиду в постоянный ток, но вот путь преобразования разный, да и результаты несколько отличаются. Импульсный блок питания отличается высокой стабильностью работы. Тем не менее трансформаторные источники еще в ходу. Почему? Стоит разобраться.
И трансформаторный (линейный) и импульсный (инверторный) БП выдают на выходе постоянное напряжение. Причем вторые имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто ниже по цене, да еще и напряжение дают более «качественное» и независящее от параметров исходной синусоиды (а она далеко не идеальная в наших сетях). Так почему же используют и трансформаторные блоки, и импульсные? Чтобы понять, надо знать в чем отличие трансформаторного блока питания от импульсного. А для этого придется разбираться в устройстве и принципах работы. На основании этого можно уяснить основные свойства.
Блок-схемы трансформаторного и импульсного блоков питания
В линейном блоке питания основное преобразование происходит при помощи трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана под сетевое напряжение, вторичная обычно понижающая. В случае классического трансформатора переменного тока, предложенного П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.
Следующий блок — выпрямитель, на котором синусоида сглаживается, превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может стоять один, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними — в частоте импульсов, которые получаем на выходе. Дальше стоит стабилизатор и фильтр, придающие выходному напряжению нужный уровень и форму. На выходе имеем постоянное напряжение.
Самый простой линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации
Основной недостаток линейных источников питания — большие габариты. Они зависят от размеров трансформатора — чем выше требуется мощность, тем больше размеры блока питания. Нужен еще стабилизатор, который корректирует выходное напряжение, а это еще увеличивает габариты, снижает КПД. Зато это устройство не грозит помехами работающему рядом оборудованию.
В импульсном блоке питания преобразование сложнее. На входе стоит сетевой фильтр, задача которого не допустить в сеть высокочастотные колебания, вырабатываемые этим устройством. Они могут повлиять на работу рядом расположенных приборов. Сетевой фильтр в дешевых моделях стоит не всегда, и в этом зачастую кроется проблема с нестабильной работой каких-то устройств, которые мы часто списываем на «падение напряжения в сети».
Далее стоит сглаживающий фильтр, который выпрямляет синусоиду. Полученное на его выходе пилообразное напряжение подается на инвертор, преобразуется в импульсы, имеющие положительную и отрицательную полярность. Их параметры (частота и скважность) задаются при помощи блока управления. Частота обычно выбирается высокой — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие этой ступени преобразования — генерации импульсов — и дало название этому типу преобразователей.
Блок-схема ИИП с формами напряжения в ключевых точках
Высокочастотные импульсы поступают на трансформатор, который является гальванической развязкой от сети. Трансформаторы эти небольшие, так как с возрастанием частоты сердечники нужны все меньше. Причем сердечник может быть набран из ферромагнитных пластин (в линейных БП должен быть из более дорогой электромагнитной стали).
На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр на их основе формирует постоянное напряжение. Основное достоинство ИБП в том, что существует обратная связь, которая позволяет регулировать работу устройства таким образом, чтобы напряжение на выходе было близко к идеалу. Это дает возможность получать стабильные параметры на выходе, независимо от того, что имеем на входе.
Для новичков не сразу становится понятным, почему лучше использовать импульсные выпрямители, а не линейные. Дело не только в габаритах и материалоемкости. Дело в более стабильных параметрах, которые выдают импульсные устройства. Качество напряжения на выходе не зависит от качества сетевого напряжения. Для наших сетей это актуально. Но не только это. Такое свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и в некоторых странах Европы отличаются. Не кардинально, но отличается напряжение, частота. А зарядки работают в любой из них — практично и удобно.
Размер тоже имеет значение
Кроме того импульсники имеют высокий КПД — до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, в то время как в трансформаторных много энергии уходит на непродуктивный нагрев. Также ИБП меньше стоят, но при этом надежны. При небольших размерах позволяют получить широкий диапазон мощностей.
Но импульсный блок питания имеет серьезные недостатки. Первый — они создают высокочастотные помехи. Это заставляет ставить на входе сетевые фильтры. И даже они не всегда справляются с задачей. Именно поэтому некоторые устройства, особо требовательные к качеству электропитания, работают только от линейных БП. Второй недостаток — импульсный блок питания имеет ограничение по минимальной нагрузке. Если подключенное устройство обладает мощностью ниже этого предела, схема просто не будет работать.
Чтобы понимать, как работает импульсный блок питания, надо разобраться в том, что происходит в каждой его части. Сделать это проще по схемам. Мы приведем только некоторые, так как вариантов и вариаций — море. Схема импульсного блока питания содержит пять обязательных блоков плюс обратная связь. Вот о каждом элементе и поговорим отдельно, Попутно приведем полные схемы ИБП с использованием различной элементной базы.
Вариант импульсного источника питания с выходным напряжением 5 В и 12 В и разной полярности
Как мы уже говорили, входной фильтр стоит для того, чтобы в сеть не попали высокочастотные помехи, генерируемые источником питания. В самом простейшем варианте это устройство представляет собой дроссель, который подавляет электромагнитные помехи и два конденсатора, включенных параллельно входу и нагрузке.
Схема простейшего входного фильтра
Конденсаторы используются специальные — X-типа. Икс-конденсаторы были разработаны специально для этих целей. Они выдерживают мгновенные киловольтные всплески напряжения (до 2,5 кВ), гася тем самым помехи между фазой и нейтралью (противофазные помехи). Дроссель — это ферритовый сердечник с намотанными лакированными медными проводами. В нем наводятся токи, нейтрализующие токи помех.
Приведенная выше схема входного фильтра для импульсного источника питания не устраняет помехи, которые возникают между фазой и землей (корпусом) или между нейтралью и корпусом. Для их нейтрализации в схему добавляют два конденсатора Y-типа (которые выдерживают скачки напряжения до 5 кВ). Специальная конструкция Y-конденсатора гарантирует обрыв цепи, а не короткое замыкание, в случае выхода его из строя.
Оба типа конденсаторов (X и Y), который ставят во входных фильтрах, выполняют из специальных негорючих материалов, так как они могут греться до очень высоких температур и могут стать причиной пожара. Именно в этом, да еще в конструктивных особенностях кроется причина их высокой стоимости (по сравнению с обычными).
Схема для компенсации всех типов помех
Но для корректной работы этой схемы необходимо рабочее заземление. Его надо подключить к корпусу блока питания. Без заземления, корпус блока питания будет находиться под напряжением около 110 В. Ток будет очень маленьким, но прикосновения будут ощутимы.
Как уже сказано выше, выпрямитель проводит предварительное выпрямление синусоиды. Если установлен один диод, он отсекает нижние (отрицательные) полуволны.
Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя. При использовании одного диода низкий КПД и большая пульсация выпрямленного напряжения. По этим причинам предпочтительней мостовая схема на четырех диодах
В самом простом случае выпрямитель — диод Шоттки, но может использоваться и диодный мост с параллельно подключенным конденсатором. Для диодных мостов часто применяют обычные диоды типа 1N4007, но лучше все-таки устанавливать все те же диоды Шоттки. Они «быстрее», так что можно получить лучше результаты на выходе.
Несколько схем фильтров разной степени сложности
Один диод ставят в блоках питания к недорогой технике. На его выходе напряжение имеет вид идущих с некоторыми промежутками положительных полуволн. На выходе диодного моста пульсации намного ниже, так что такой выпрямитель ставят для более требовательных к питанию приборов. Пульсирующее напряжение с выхода диода/диодного моста подается на конденсатор (он должен быть рассчитан на напряжение 270-400 В), который из полуволн делает «зубчики». Тут уже получаем более-менее стабильное постоянное напряжение.
На следующем блоке выпрямленное напряжение преобразуется в импульсы. Частота импульсов высокая — от 10 до 50 кГц. Есть два способа реализации этих блоков: при помощи микросхем, на основе автогенератора (блокинг-генератора).
Еще одна блок-схема ИИП
Во втором случае используется пара транзисторов, которые включаются попеременно, формируя на выходе последовательность импульсов. Частота переключений задается генератором. Такие схемы встречаются и сейчас, но большинство реализуется на микросхемах.
Пример схемы инвертора на транзисторах
Если есть микросхема, зачем городить огород из нескольких десятков деталей. Тем более, что требуемый тип микросхем широко распространен и стоит немного. Это так называемые ШИМ-контроллеры ( TL494, UC384х, Dh421, TL431, IR2151, IR2153 и др). К этим микросхемам надо добавить всего-лишь пару полевых транзисторов и несколько мелких деталей и получим требуемый инвертор.
Схема ИИП с ШИМ контроллером для обратноходового и полумостового преобразователей
ШИМ-контроллер отлично встраивается в любой тип схем. Он совместим с обратноходовыми, полумостовыми и мостовыми схемами выпрямителей. Естественно, отличается количество элементов, но все они простые и доступные.В обратноходовых схемах транзисторы должны быть рассчитаны на более высокое напряжение, чем подается на вход.
Устройство импульсного источника напряжения с ШИМ контроллером и двухтактным и мостовым выпрямителем
По полумостовым схемам построены импульсные блоки питания в осветительных приборах, в энергосберегающих и светодиодных лампах, электронный балласт для люминисцентных ламп (ЭПРА). Мостовые схемы применяют в более мощных блоках. Например, в сварочных инверторах.
Есть и более «серьезные» контроллеры, которые параллельно с работой, проверяют параметры входного и выходного напряжения и, при неисправностях, просто блокируют свою работу. Так как в импульсном блоке питания этот компонент, обычно, самый дорогой, это очень неплохо. Заменив неисправные детали (обычно резисторы или конденсаторы), получаем рабочий агрегат.
Узел трансформатора на блоке питания является одним из самых стабильных. В этом блоке, кроме самого трансформатора, содержится небольшая группа элементов которая нейтрализует выброс тока, который возникает на обмотках трансформатора при смене полярностей. Эта группа называется «снаббер».
Рассматриваемый блок обведен красным, а снаббер — зеленым
Трансформатор — один из самых надежных элементов. В нем очень редко возникают проблемы. Он может повредиться при пробое инвертора. В этом случае через обмотку течет слишком высокий ток, который и выводит из строя трансформатор.
Схема блока силового трансформатора для ИИП
Работает все это следующим образом:
Номиналы выбираются исходя из параметров трансформатора. Подбор сложный, так что описывать его не имеет смысла. И еще: не во всех схемах есть снаббер, но его наличие увеличивает надежность и стабильность работы импульсного источника питания.
Несколько слов о диодах, которые используют в снабберах. Это может быть обычный диод, подобранный по параметрам, но более надежны схемы со стабилитроном. Еще может быть вариант без резистора и емкости, но с включенным навстречу супрессором (на схеме ниже).
Еще один вариант блока силового трансформатора с использованием супрессора (защитного диода) D1
Супрессор — это защитный диод, принцип работы похож на стабилитрон, вот только выравнивается импульсный ток и рассеиваемая мощность. Может быть несимметричный и симметричным.
На этом, можно считать со схемой импульсного блока питания разобрались, так как выходные выпрямитель и фильтр устроены по тому же принципу. Элементы могут быть другие, а схемы те же. Единственное, что еще стоит рассмотреть — стабилизация выходных параметров. Это опционная часть, но такой импульсный блок питания более надежен.
Наиболее простой и дешевый способ стабилизации используется в дешевых блоках питания — обратная связь на пассивных элементах. На схеме ниже, это два резистора R6 и R7, подключенные к вспомогательной обмотке силового трансформатора. Не слишком надежно, потому что есть влияние между обмотками, но просто и недорого.
Простой способ стабилизации
Второй вариант стабилизатора выходного напряжения сделан на стабилизаторе VD9 и оптроне HL1. Выходное напряжение складывается из падения на стабилитроне и напряжения на оптроне. Это чуть более надежная схема для ИИП средней мощности.
Стабилизация выхода ИИП при помощи стабилитрона и оптрона
Наиболее стабильные выходные показатели имеют схемы ИИП со стабилизатором TL431.
TL431 — интегральная схема трёхвыводного регулируемого параллельного стабилизатора напряжения с улучшенной температурной стабильностью. С внешним делителем TL431 способна стабилизировать напряжения от 2,5 до 36 В при токах до 100 мА.
ИБП с использованием микросхемы TL431 более сложные, но надежные. В таких схемах может быть подстроечный переменный резистор, который позволяет изменять выходное напряжение в небольших пределах. Обычно подстройка составляет не более 20%, так как в противном случае схема может быть нестабильной.
Схема со стабильным напряжением на выходе
Если подстройка выходного напряжения не нужна, лучше подстроечный резистор заменить обычным, так как переменные менее надежны.
Пару слов о резисторе R20 (см. схему выше), который стоит на выходе. Это так называемый, нагрузочный резистор. Как известно ИИП не будет работать без нагрузки. Поэтому на выходе и ставят сопротивление, которое обеспечивает минимальную рабочую нагрузку. Но это решение неидеально, так как резистор греется и порой очень сильно. Располагать рядом конденсаторы крайне нежелательно, иначе подогреваются и они. А в качестве выходного сопротивления должны стоять высокоточные резисторы, так как они при нагреве мало меняют свои параметры (блок выдает стабильное напряжение даже при длительной работе).
Импульсный блок питания (60Вт).
Схема представляет собой классический обратноходовый БП на базе ШИМ UC3842. Поскольку схема базовая, выходные параметры БП могут быть легко пересчитаны на необходимые. В качестве примера для рассмотрения выбран БП для ноутбука с питанием 20В 3А. При необходимости можно получить несколько напряжений, независимых или связанных.
Выходная мощность на открытом воздухе 60Вт (длительно). Зависит главным образом от параметров силового трансформатора. При их изменении можно получить выходную мощность до 100Вт в данном типоразмере сердечника. Рабочая частота блока выбрана 29кГц и может быть перестроена конденсатором С1. Блок питания рассчитан на неизменяющуюся или мало меняющуюся нагрузку, отсюда отсутствие стабилизации выходного напряжения, хотя оно стабильно при колебаниях сети 190…240вольт. БП работает без нагрузки, есть настраиваемая защита от к/з. КПД блока — 87%. Внешнего управления нет, но можно ввести с помощью оптопары или реле.
Силовой трансформатор (каркас с сердечником), выходной дроссель и дроссель по сети заимствованы с компьютерного БП. Первичная обмотка силового трансформатора содержит 60витков, обмотка на питание микросхемы — 10витков. Обе обмотки наматываются виток к витку проводом 0,5мм с одинарной межслойной изоляцией из фторопластовой ленты. Первичная и вторичная обмотки разделяются несколькими слоями изоляции. Вторичная обмотка пересчитывается из расчета 1,5вольта на виток. К примеру, 15вольтовая обмотка будет 10витков, 30вольтовая — 20 и т.д. Поскольку напряжение одного витка достаточно велико, при малых выходных напряжениях потребуется точная подстройка резистором R3 в пределах 15…30кОм.
Настройка
При необходимости получить несколько напряжений можно воспользоваться схемами (1), (2) или (3). Числа витков считаются отдельно для каждой обмотки в (1), (3), а (2) — иначе. Поскольку вторая обмотка является продолжением первой, то число витков второй обмотки определяется как W2=(U2-U1)/1.5, где 1.5 — напряжение одного витка. Резистор R7 определяет порог ограничения выходного тока БП, а также максимальный ток стока силового транзистора. Рекомендуется выбирать максимальный ток стока не более 1/3 паспортного на данный транзистор. Ток можно высчитать по формуле I(Ампер)=1/R7(Ом).
Сборка
Силовой транзистор и выпрямительный диод во вторичной цепи устанавливаются на радиаторы. Их площадь не приводится, т.к. для каждого варианта исполнения (в корпусе, без корпуса, высокое выходное напряжение, низкое, и.т.д.) площадь будет отличаться. Необходимую площадь радиатора можно установить экспериментально, по температуре радиатора во время работы. Фланцы деталей не должны нагреваться выше 70градусов. Силовой транзистор устанавливается через изолирующую прокладку, диод — без неё.
ВНИМАНИЕ!!!
!!! Соблюдайте указанные значения напряжений конденсаторов и мощностей резисторов, а также фазировку обмоток трансформатора. При неверной фазировке блок питания заведется, но мощности не отдаст.
!!! Не касайтесь стока (фланца) силового транзистора при работающем БП!!! На стоке присутствует выброс напряжения до 500вольт.
Замена элементов.
Вместо 3N80 можно применить BUZ90, IRFBC40 и другие. Диод D3 — КД636, КД213, BYV28 на напряжение не менее 3Uвых и на соответствующий ток.
Запуск
Блок заводится через 2-3 секунды после подачи сетевого напряжения. Для защиты от выгорания элементов при неверном монтаже первый запуск БП производится через мощный резистор 100 Ом 50Вт, включенный перед сетевым выпрямителем. Также желательно перед первым запуском заменить сглаживающий конденсатор после моста на меньшую емкость (около 10…22мкФ 400В). Блок включают на несколько секунд, потом выключают и оценивают нагрев силовых элементов. Далее время работы постепенно увеличивают, и в случае удачных запусков блок включается напрямую без резистора со штатным конденсатором.
Ну и последнее.
Описываемый БП собран в корпусе МастерКит BOX G-010. В нем держит нагрузку 40Вт, на большей мощности необходимо позаботиться о дополнительном охлаждении. В случае выхода БП из строя вылетает Q1, R7, 3842, R6, могут погореть C3 и R5.
Вопросы как обычно складываем тут.
Как вам эта статья? | Заработало ли это устройство у вас? |
Эти статьи вам тоже могут пригодиться:
Импульсный блок питания на 5… 20 Ватт вы сможете изготовить менее чем за час. На изготовление 100-ваттного блока питания понадобится несколько часов.
Построить блок питания будет ненамного сложнее, чем прочитать эту статью. И уж точно, это будет проще, чем найти низкочастотный трансформатор подходящей мощности и перемотать его вторичные обмотки под свои нужды.
Оглавление статьи.
В настоящее время получили широкое распространение Компактные Люминесцентные Лампы (КЛЛ). Для уменьшения размеров балластного дросселя в них используется схема высокочастотного преобразователя напряжения, которая позволяет значительно снизить размер дросселя.
В случае выхода из строя электронного балласта, его можно легко отремонтировать. Но, когда выходит из строя сама колба, то лампочку обычно выбрасывают.
Однако электронный балласт такой лампочки, это почти готовый импульсный Блок Питания (БП). Единственное, чем схема электронного балласта отличается от настоящего импульсного БП, это отсутствием разделительного трансформатора и выпрямителя, если он необходим.
В то же время, современные радиолюбители испытывают большие трудности при поиске силовых трансформаторов для питания своих самоделок. Если даже трансформатор найден, то его перемотка требует использования большого количества медного провода, да и массо-габаритные параметры изделий, собранных на основе силовых трансформаторов не радуют. А ведь в подавляющем большинстве случаев силовой трансформатор можно заменить импульсным блоком питания. Если же для этих целей использовать балласт от неисправных КЛЛ, то экономия составит значительную сумму, особенно, если речь идёт о трансформаторах на 100 Ватт и больше.
Вернуться наверх к меню
Это одна из самых распространённых электрических схем энергосберегающих ламп. Для преобразования схемы КЛЛ в импульсный блок питания достаточно установить всего одну перемычку между точками А – А’ и добавить импульсный трансформатор с выпрямителем. Красным цветом отмечены элементы, которые можно удалить.
А это уже законченная схема импульсного блока питания, собранная на основе КЛЛ с использованием дополнительного импульсного трансформатора.
Для упрощения, удалена люминесцентная лампа и несколько деталей, которые были заменены перемычкой.
Как видите, схема КЛЛ не требует больших изменений. Красным цветом отмечены дополнительные элементы, привнесённые в схему.
Вернуться наверх к меню
Мощность блока питания ограничивается габаритной мощностью импульсного трансформатора, максимально допустимым током ключевых транзисторов и величиной радиатора охлаждения, если он используется.
Блок питания небольшой мощности можно построить, намотав вторичную обмотку прямо на каркас уже имеющегося дросселя.
В случае если окно дросселя не позволяет намотать вторичную обмотку или если требуется построить блок питания мощностью, значительно превышающей мощность КЛЛ, то понадобится дополнительный импульсный трансформатор.
Если требуется получить блок питания мощностью свыше 100 Ватт, а используется балласт от лампы на 20-30 Ватт, то, скорее всего, придётся внести небольшие изменения и в схему электронного балласта.
В частности, может понадобиться установить более мощные диоды VD1-VD4 во входной мостовой выпрямитель и перемотать входной дроссель L0 более толстым проводом. Если коэффициент усиления транзисторов по току окажется недостаточным, то придётся увеличить базовый ток транзисторов, уменьшив номиналы резисторов R5, R6. Кроме этого придётся увеличить мощность резисторов в базовых и эмиттерных цепях.
Если частота генерации окажется не очень высокой, то возможно придётся увеличить емкость разделительных конденсаторов C4, C6.
Вернуться наверх к меню
Особенностью полумостовых импульсных блоков питания с самовозбуждением является способность адаптироваться к параметрам используемого трансформатора. А тот факт, что цепь обратной связи не будет проходить через наш самодельный трансформатор и вовсе упрощает задачу расчёта трансформатора и наладки блока. Блоки питания, собранные по этим схемам прощают ошибки в расчётах до 150% и выше. 🙂 Проверено на практике.
Здесь подробно рассказано, как произвести самые простые расчёты импульсного трансформатора, а так же, как его правильно намотать… чтобы не пришлось подсчитывать витки. 🙂
Не пугайтесь! Намотать импульсный трансформатор можно в течение просмотра одного фильма или даже быстрее, если Вы собираетесь выполнять эту монотонную работу сосредоточенно.
Вернуться наверх к меню
Во входных фильтрах электронных балластов, из-за экономии места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Hz.
Чтобы снизить уровень пульсаций напряжения на выходе БП, нужно увеличить ёмкость конденсатора входного фильтра. Желательно, чтобы на каждый Ватт мощности БП приходилось по одной микрофараде или около того. Увеличение ёмкости С0 повлечёт за собой рост пикового тока, протекающего через диоды выпрямителя в момент включения БП. Чтобы ограничить этот ток, необходим резистор R0. Но, мощность исходного резистора КЛЛ мала для таких токов и его следует заменить на более мощный.
Если требуется построить компактный блок питания, то можно использовать электролитические конденсаторы, применяющиеся в лампах вспышках плёночных «мыльниц». Например, в одноразовых фотоаппаратах Kodak установлены миниатюрные конденсаторы без опознавательных знаков, но их ёмкость аж целых 100µF при напряжении 350 Вольт.
Вернуться наверх к меню
Блок питания мощностью, близкой к мощности исходной КЛЛ, можно собрать, даже не мотая отдельный трансформатор. Если у оригинального дросселя есть достаточно свободного места в окне магнитопровода, то можно намотать пару десятков витков провода и получить, например, блок питания для зарядного устройства или небольшого усилителя мощности.
На картинке видно, что поверх имеющейся обмотки был намотан один слой изолированного провода. Я использовал провод МГТФ (многожильный провод во фторопластовой изоляции). Однако таким способом можно получить мощность всего в несколько Ватт, так как большую часть окна будет занимать изоляция провода, а сечение самой меди будет невелико.
Если требуется бо’льшая мощность, то можно использовать обыкновенный медный лакированный обмоточный провод.
Внимание! Оригинальная обмотка дросселя находится под напряжением сети! При описанной выше доработке, обязательно побеспокойтесь о надёжной межобмоточной изоляции, особенно, если вторичная обмотка мотается обычным лакированным обмоточным проводом. Даже если первичная обмотка покрыта синтетической защитной плёнкой, дополнительная бумажная прокладка необходима!
Как видите, обмотка дросселя покрыта синтетической плёнкой, хотя часто обмотка этих дросселей вообще ничем не защищена.
Наматываем поверх плёнки два слоя электрокартона толщиной 0,05мм или один слой толщиной 0,1мм. Если нет электрокартона, используем любую подходящую по толщине бумагу.
Поверх изолирующей прокладки мотаем вторичную обмотку будущего трансформатора. Сечение провода следует выбирать максимально возможное. Количество витков подбирается экспериментальным путём, благо их будет немного.
Мне, таким образом, удалось получить мощность на нагрузке 20 Ватт при температуре трансформатора 60ºC, а транзисторов – 42ºC. Получить ещё большую мощность, при разумной температуре трансформатора, не позволила слишком малая площадь окна магнитопровода и обусловленное этим сечение провода.
На картинке действующая модель БП.
Мощность, подводимая к нагрузке – 20 Ватт. Частота автоколебаний без нагрузки – 26 кГц. Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 32 кГц Температура трансформатора – 60ºС Температура транзисторов – 42ºС
Вернуться наверх к меню
Для увеличения мощности блока питания пришлось намотать импульсный трансформатор TV2. Кроме этого, я увеличил ёмкость конденсатора фильтра сетевого напряжения C0 до 100µF.
Так как КПД блока питания вовсе не равен 100%, пришлось прикрутить к транзисторам какие-то радиаторы.
Ведь если КПД блока будет даже 90%, рассеять 10 Ватт мощности всё равно придётся.
Мне не повезло, в моём электроном балласте были установлены транзисторы 13003 поз.1 такой конструкции, которая, видимо, рассчитана на крепление к радиатору при помощи фасонных пружин. Эти транзисторы не нуждаются в прокладках, так как не снабжены металлической площадкой, но и тепло отдают намного хуже. Я их заменил транзисторами 13007 поз.2 с отверстиями, чтобы их можно было прикрутить к радиаторам обычными винтами. Кроме того, 13007 имеют в несколько раз бо’льшие предельно-допустимые токи.
Если пожелаете, можете смело прикручивать оба транзистора на один радиатор. Я проверил, это работает.
Только, корпуса обоих транзисторов должны быть изолированы от корпуса радиатора, даже если радиатор находится внутри корпуса электронного устройства.
Крепление удобно осуществлять винтами М2,5, на которые нужно предварительно надеть изоляционные шайбы и отрезки изоляционной трубки (кембрика). Допускается использование теплопроводной пасты КПТ-8, так как она не проводит ток.
Внимание! Транзисторы находятся под напряжением сети, поэтому изоляционные прокладки должны обеспечивать условия электробезопасности!
На чертеже изображено соединение транзистора с радиатором охлаждения в разрезе.
А это действующий стоваттный импульсный блок питания.
Резисторы эквивалента нагрузки помещены в воду, так как их мощность недостаточна.
Мощность, выделяемая на нагрузке – 100 Ватт.
Частота автоколебаний при максимальной нагрузке – 90 кГц.
Частота автоколебаний без нагрузки – 28,5 кГц.
Температура транзисторов – 75ºC.
Площадь радиаторов каждого транзистора – 27см².
Температура дросселя TV1 – 45ºC.
TV2 – 2000НМ (Ø28 х Ø16 х 9мм)
Вернуться наверх к меню
Все вторичные выпрямители полумостового импульсного блока питания должны быть обязательно двухполупериодным. Если не соблюсти это условие, то магинтопровод может войти в насыщение.
Существуют две широко распространённые схемы двухполупериодных выпрямителей.
1. Мостовая схема.
2. Схема с нулевой точкой.
Мостовая схема позволяет сэкономить метр провода, но рассеивает в два раза больше энергии на диодах.
Схема с нулевой точкой более экономична, но требует наличия двух совершенно симметричных вторичных обмоток. Асимметрия по количеству витков или расположению может привести к насыщению магнитопровода.
Однако именно схемы с нулевой точкой используются, когда требуется получить большие токи при малом выходном напряжении. Тогда, для дополнительной минимизации потерь, вместо обычных кремниевых диодов, используют диоды Шоттки, на которых падение напряжения в два-три раза меньше.
Пример.
Выпрямители компьютерных блоков питания выполнены по схеме с нулевой точкой. При отдаваемой в нагрузку мощности 100 Ватт и напряжении 5 Вольт даже на диодах Шоттки может рассеяться 8 Ватт.
100 / 5 * 0,4 = 8(Ватт)
Если же применить мостовой выпрямитель, да ещё и обычные диоды, то рассеиваемая на диодах мощность может достигнуть 32 Ватт или даже больше.
100 / 5 * 0,8 * 2 = 32(Ватт).
Обратите внимание на это, когда будете проектировать блок питания, чтобы потом не искать, куда исчезла половина мощности. 🙂
В низковольтных выпрямителях лучше использовать именно схему с нулевой точкой. Тем более что при ручной намотке можно просто намотать обмотку в два провода. Кроме этого, мощные импульсные диоды недёшевы.
Вернуться наверх к меню
Для наладки импульсных блоков питания обычно используют вот такую схему включения. Здесь лампа накаливания используется в качестве балласта с нелинейной характеристикой и защищает ИБП от выхода из строя при нештатных ситуациях. Мощность лампы обычно выбирают близкой к мощности испытываемого импульсного БП.
При работе импульсного БП на холостом ходу или при небольшой нагрузке, сопротивление нити какала лампы невелико и оно не влияет на работу блока. Когда же, по каким-либо причинам, ток ключевых транзисторов возрастает, спираль лампы накаливается и её сопротивление увеличивается, что приводит к ограничению тока до безопасной величины.
На этом чертеже изображена схема стенда для тестирования и наладки импульсных БП, отвечающая нормам электробезопасности. Отличие этой схемы от предыдущей в том, что она снабжена разделительным трансформатором, который обеспечивает гальваническую развязку между исследуемым ИБП и осветительной сети. Выключатель SA2 позволяет блокировать лампу, когда блок питания отдаёт большую мощность.
А это уже изображение реального стенда для ремонта и наладки импульсных БП, который я изготовил много лет назад по схеме, расположенной выше.
Важной операцией при тестировании БП является испытание на эквиваленте нагрузки. В качестве нагрузки удобно использовать мощные резисторы типа ПЭВ, ППБ, ПСБ и т.д. Эти «стекло-керамические» резисторы легко найти на радиорынке по зелёной раскраске. Красные цифры – рассеиваемая мощность.
Из опыта известно, что мощности эквивалента нагрузки почему-то всегда не хватает. Перечисленные же выше резисторы могут ограниченное время рассеивать мощность в два-три раза превышающую номинальную. Когда БП включается на длительное время для проверки теплового режима, а мощность эквивалента нагрузки недостаточна, то резисторы можно просто опустить в воду.
Будьте осторожны, берегитесь ожога!
Нагрузочные резисторы этого типа могут нагреться до температуры в несколько сотен градусов без каких-либо внешних проявлений!
То есть, ни дыма, ни изменения окраски Вы не заметите и можете попытаться тронуть резистор пальцами.
Вернуться наверх к меню
Собственно, блок питания, собранный на основе исправного электронного балласта, особой наладки не требует.
Его нужно подключить к эквиваленту нагрузки и убедиться, что БП способен отдать расчетную мощность.
Во время прогона под максимальной нагрузкой, нужно проследить за динамикой роста температуры транзисторов и трансформатора. Если слишком сильно греется трансформатор, то нужно, либо увеличить сечение провода, либо увеличить габаритную мощность магнитопровода, либо и то и другое.
Если сильно греются транзисторы, то нужно установить их на радиаторы.
Если в качестве импульсного трансформатора используется домотанный дроссель от КЛЛ, а его температура превышает 60… 65ºС, то нужно уменьшить мощность нагрузки.
Не рекомендуется доводить температуру трансформатора выше 60… 65ºС, а транзисторов выше 80… 85ºС.
Вернуться наверх к меню
R0 – ограничивает пиковый ток, протекающий через диоды выпрямителя, в момент включения. В КЛЛ также часто выполняет функцию предохранителя.
VD1… VD4 – мостовой выпрямитель.
L0, C0 – фильтр питания.
R1, C1, VD2, VD8 – цепь запуска преобразователя.
Работает узел запуска следующим образом. Конденсатор C1 заряжается от источника через резистор R1. Когда напряжения на конденсаторе C1 достигает напряжения пробоя динистора VD2, динистор отпирается сам и отпирает транзистор VT2, вызывая автоколебания. После возникновения генерации, прямоугольные импульсы прикладываются к катоду диода VD8 и отрицательный потенциал надёжно запирает динистор VD2.
R2, C11, C8 – облегчают запуск преобразователя.
R7, R8 – улучшают запирание транзисторов.
R5, R6 – ограничивают ток баз транзисторов.
R3, R4 – предотвращают насыщение транзисторов и исполняют роль предохранителей при пробое транзисторов.
VD7, VD6 – защищают транзисторы от обратного напряжения.
TV1 – трансформатор обратной связи.
L5 – балластный дроссель.
C4, C6 – разделительные конденсаторы, на которых напряжение питания делится пополам.
TV2 – импульсный трансформатор.
VD14, VD15 – импульсные диоды.
C9, C10 – конденсаторы фильтра.
Вернуться наверх к меню
Источник http://oldoctober.com/
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.
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:
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.
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:
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.
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.
В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:
Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:
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.
Представляю самый простой миниатюрный импульсный блок питания, который может быть успешно повторён начинающим радиолюбителем. Он отличается надежностью, работает в широком диапазоне питающих напряжений, имеет компактные размеры.
Блок питания обладает относительно небольшой мощностью, в пределах 2-х ватт, зато он буквально неубиваемый, не боится даже долговремнных коротких замыканий.
Схема проще даже самых простых импульсных источников питания, к которым относятся зарядные устройства для мобильных телефонов.
Блок питания представляет собой маломощный импульсный источник питания автогенераторного типа, собранный всего на одном транзисторе. Автогенератор запитывается от сети через токоограничительный резистор R1 и однополупериодный выпрямитель в виде диода VD1.
Импульсный трансформатор имеет три обмотки, коллекторная или первичная, базовая обмотка и вторичная.
Важным моментом является намотка трансформатора, и на печатной плате и на схеме указаны начала обмоток, так что проблем возникнуть не должно. Расчетов не делал, а количество витков обмоток позаимствованы от трансформатора для зарядки сотовых телефонов, так как схематика почти та же, количество обмоток тоже. Первой мотается первичная обмотка, которая состоит из 200 витков, диаметр провода от 0,08 до 0,1 мм, затем ставиться изоляция и таким же проводом мотается базовая обмотка, которая содержит от 5 до 10 витков. Поверх мотаем выходную обмотку, количество ее витков зависит от того, какое напряжение вам нужно, по моим скромным подсчетам получается около 1 вольта на один виток.
Сердечник для трансформатора можно найти в нерабочих блоках питания от мобильных телефонов, светодиодных драйверов и прочих маломощных источников питания, которые как правило построены именно на базе однотактных схем, в состав которых входит нужный трансформатор.
Один момент — блок однотактный и между половинками сердечника должен быть немагнитный зазор, такой зазор имеется у сердечников с зарядных устройств сотовых телефонов. Зазор относительно небольшой (пол миллиметра хватит сполна). Если не находите трансформаторов с зазором, его можно сделать искусственным образом, подложив между половинками сердечника один слой офисной бумаги.
Готовый трансформатор собирают обратно, половинки сердечника стягиваются скажем скотчем либо намертво склеиваются суперклеем.
Схема не имеет стабилизации выходного напряжения и узлов защиты от коротких замыканий, но как не странно ей не страшны никакие короткие замыкания. При коротких замыканиях естественно повышается ток в первичной цепи, но он ограничивается ранее упомянутым резистором, и все лишнее рассеивается на резисторе в виде тепла, так что блок можно смело замыкать, даже долговременно. Такое решение снижает КПД источника питания в целом, но зато делает его буквально неубиваемым, в отличии от тех же самых зарядок для мобильных телефонов.
Резистор указанного номинала ограничивает входной ток на уровне 14, 5 мА, по закону ома, зная напряжение в сети легко можно рассчитать мощность, которая составляет в районе 3,3 ватт, это мощность на входе, с учетом кпд преобразователя выходная мощность будет процентов на 20-30 меньше этого. Увеличить мощность можно, для этого достаточно снизить сопротивление указанного резистора.
Силовой транзистор — это маломощный высоковольтный биполярный транзистор обратной проводимости, подойдут ключи типа MJE13001, 13003, 13005, более мощные ставить нет смысла, первого варианта вполне хватает.
На выходе схемы установлен выпрямитель на базе импульсного диода, для снижения потерь советую использовать диод шоттки, рассчитанный на ток 1А. Далее фильтрующий конденсатор, светодиодный индикатор включения и пара резисторов.
О недостатках схемы:
Но с другой стороны, схожие схемы применяются там, где нужна мощность в пределах 3-5 ватт, например в моем случае блок предназначен для питания небольшого кулера, поэтому мощность ограничена в пределах 2-х ватт.
Области применения — их очень много, так, как блок имеет гальваническую развязку от сети, следовательно, он безопасен и его выходное напряжение никак не связано с сетью. Отличный вариант для запитки светодиодов, вентиляторов охлаждения, питания каких-то маломощных схем и многое другое.
Печатная плата тут
Конструкция с обратным ходом представляет собой импульсный источник питания (ИИП), который использовался более 70 лет и до сих пор остается мощным. Этот источник питания, также называемый преобразователем мощности, имеет две различные рабочие фазы, при этом мощность со стороны входа передается на сторону выхода только тогда, когда переключатель первичной стороны выключен, а его текущий поток равен нулю или близок к нему. Ядро обратноходовой конструкции имеет довольно короткую и недорогую ведомость материалов (BOM): входной конденсатор, переключатель MOSFET на первичной стороне, выпрямительный диод на выходной (вторичной) стороне и выходной конденсатор.Кроме того, есть сам обратный трансформатор (конечно, как и в любой другой конструкции, окончательная схема более сложна).
Конструкция с обратным ходом была разработана в 1930-х и 1940-х годах и значительно усовершенствована в 1950-х годах с появлением коммерческого телевидения. В некотором смысле он предшествует нашей современной концепции нелинейного импульсного источника питания (см. «Полвека назад, лучшие транзисторы и импульсные регуляторы произвели революцию в конструкции компьютерных источников питания» в IEEE Spectrum ).
Ранее обратный преобразователь обеспечивал высокое напряжение, необходимое для ЭЛТ и других электронных ламп, которые были «активной» электроникой до транзисторов и ИС. В результате этого огромного рынка он был спроектирован и оптимизирован для обеспечения низкой стоимости, высокой надежности, безопасности и технологичности. Конструкция и характеристики обратного хода хорошо подходят для применения в диапазоне от низкой до средней мощности от 100 до 250 Вт.
Основы обратного преобразователя
В отличие от конструкции без обратного хода, где трансформатор используется только для повышения или понижения напряжения, обратный трансформатор также используется в качестве индуктора, магнитного накопителя энергии.Этот трансформатор имеет дополнительные обмотки (критичные для обратного хода) помимо основного двухобмоточного (первичная / вторичная) трансформатора. Коэффициент трансформации трансформатора выполняет две функции: он устанавливает соотношение выходного и входного напряжения и обеспечивает гальваническую (омическую) изоляцию. За счет использования дополнительных обмоток обратная схема может одновременно обеспечивать несколько выходов.
В основном цикле обратного хода замыкание переключателя первичной стороны увеличивает первичный ток и магнитный поток в трансформаторе / катушке индуктивности, поскольку цепь первичной стороны питается от источника (рис.1) . Напряжение во вторичной обмотке отрицательное из-за относительного соотношения между первичной и вторичной обмотками. Следовательно, диод имеет обратное смещение и блокирует ток, а конденсатор вторичной стороны подает ток на нагрузку во время фазы работы.
% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216f60» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы Informa Pbj3 Flyback Fig1 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/12/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Informa_PBJ3_Flyback_Fig1.png?auto=format&fit=max&w=1440% «data-embed-caption =» «]}
1. В первом цикле работы обратноходового преобразователя переключатель первичной стороны замкнут, таким образом, увеличивает первичный ток и магнитный поток трансформатора / индуктора. (Источник: Википедия)
Переключатель размыкается на следующей фазе цикла (рис.2) , поэтому ток первичной стороны стремится к нулю и магнитный поток падает. Теперь напряжение на вторичной стороне становится положительным, диод смещен в прямом направлении, и ток течет от вторичной стороны трансформатора к конденсатору, таким образом пополняя конденсатор.
% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216f62» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы Informa Pbj3 Flyback Fig2 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/12/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Informa_PBJ3_Flyback_Fig2.png?auto=format&fit=max&w=1440% «data-embed-caption =» «]}
2. Во втором цикле работы обратноходового преобразователя переключатель первичной стороны размыкается, и ток течет от вторичной стороны трансформатора к конденсатору. (Источник: Википедия)
В схеме с обратным ходом выходной конденсатор подобен ведру, которое либо заполняется (перезаряжается), либо опорожняется (питает нагрузку), но он никогда не подвергается воздействию обоих одновременно.Результирующая пульсация на выходе должна фильтроваться конденсатором, который никогда не может опуститься до нулевого заряда. Название «обратный ход» связано с внезапной остановкой / остановкой, включением / выключением переключателя MOSFET, с формой волны, которая выглядит как внезапное изменение направления тока (рис. 3) .
% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216f64» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы Informa Pbj3 Flyback Fig3 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/12/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Informa_PBJ3_Flyback_Fig3.png?auto=format&fit=max&w=1440% «data-embed-caption =» «]}
3. Основная форма волны обратноходовой топологии показывает резкое изменение направления и переходы для первичных и вторичных токов. (Источник: Википедия)
Регулировка выхода достигается путем регулировки рабочего цикла включения / выключения переключателя первичной стороны.Некоторые конструкции также регулируют частоту переключения (более быстрое переключение приводит к более точному отслеживанию выхода до желаемого выходного значения. Эта обратная связь с необходимой изоляцией входа-выхода обеспечивается либо через специальную обмотку на трансформаторе (традиционный и исторический подход) (рис. 4a) или через оптрон (рис. 4b) .
% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216f66» data-embed-element = «span «data-embed-size =» 640w «data-embed-alt =» Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Файлы Informa Pbj3 Обратный ход Fig4a 4b «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/12/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Informa_PBJ3_Flyback_Fig4a_4b.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed» 900-caption =
-caption4. В традиционной конструкции с обратным ходом используется трансформатор / индуктор как минимум с двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой (а). В некоторых конструкциях обратного хода используется оптопара для обеспечения изолированной обратной связи, эквивалентной второй обмотке первичной стороны. (Источники: Analog Devices и Texas Instruments)
Режимы работы
Обратноходовые преобразователи(и многие другие типы преобразователей) могут быть разработаны для работы в одном из двух режимов.В режиме прерывистой проводимости (DCM) трансформатор полностью размагничивается во время каждого цикла переключения. Обычно это делается с фиксированной частотой переключения и модуляцией пикового тока для соответствия требованиям нагрузки. В режиме непрерывной проводимости (CCM) в трансформаторе всегда течет ток во время каждого цикла переключения. Следовательно, в трансформаторе всегда присутствует некоторая остаточная энергия, потому что каждый цикл переключения начинается до того, как ток полностью истощится.
В DCM отсутствуют потери при обратном восстановлении в выходном выпрямителе, так как его ток падает до нуля в течение каждого цикла переключения. Требуемое значение индуктивности первичной стороны невелико, и требуется только трансформатор меньшего размера. Аналитически, конструкция DCM по своей сути более устойчива, поскольку в правой полуплоскости ее передаточной функции нет нуля. Однако DCM имеет очень большие токи пульсации и, следовательно, требует фильтров большего размера.
Напротив, CCM имеет небольшие токи пульсации и среднеквадратичные значения.Эти более низкие токи также снижают потери проводимости и отключения, в то время как более низкие пиковые токи позволяют использовать меньшие компоненты фильтра. Но недостатком CCM является то, что он имеет ноль в правой полуплоскости передаточной функции, что ограничивает полосу пропускания контура управления и его динамический отклик. CCM также требует большей индуктивности и, следовательно, большей магнитной составляющей.
Улучшение обратноходового преобразователя
Как и в случае с любым другим блоком питания, некоторые изменения и усовершенствования могут превратить хороший блок питания в очень хороший.В DCM есть мертвое время или резонансное «кольцо», где ни диод, ни MOSFET не проводят ток, создаваемое взаимодействием между первичной индуктивностью трансформатора и паразитной емкостью в коммутационном узле. Квазирезонансная (QR) конструкция регулирует пиковый ток и частоту переключения таким образом, чтобы полевой МОП-транзистор включался в первой «впадине» этого резонансного звона и сводит к минимуму потери.
Еще одно усовершенствование — «переключение впадин». Контроллер определяет, когда резонансное кольцо мертвого времени находится в нижней точке, и включает в этот момент полевой МОП-транзистор, чтобы начать следующий цикл переключения, а также для уменьшения потерь переключения.
Современные контроллеры IC сводят к минимуму многие из неизбежных проблем, связанных с проектированием полного обратноходового источника питания, при одновременном повышении производительности. Например, LT8304-1 от компании Analog Devices представляет собой обратный преобразователь без оптоизоляции, который измеряет выходное напряжение непосредственно из сигнала обратного хода первичной стороны (рис. .
% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275fbf6d5f267ee216f68» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «Electronicdesign Com Сайты Electronicdesign com Файлы Informa Pbj3 Flyback Fig5 «data-embed-src =» https: // img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2019/12/electronicdesign_com_sites_electronicdesign.com_files_Informa_PBJ3_Flyback_Fig5.png?auto=format&fit=max&w=1440% «data-embed-caption =» «
]5. Основанная на LT8304-1, эта конструкция преобразует входное напряжение 4–28 В в выходное напряжение 1000 В; гарантированный минимальный выходной ток зависит от входного напряжения и достигает 15 мА при входном напряжении 28 В. (Источник: Analog Devices)
Техническое описание упрощает выбор и идентификацию трансформатора обратного хода, предоставляя таблицу общих пар входных / выходных напряжений и токов, соответствующих названиям поставщиков и моделям стандартных доступных трансформаторов.Результат: создание хорошей конструкции с обратным ходом теперь стало намного проще.
Заключение
При выборе топологии источника питания / преобразователя следует учитывать множество законных возможностей, каждая из которых обладает уникальным набором функций, а также положительными и отрицательными характеристиками. Их необходимо сопоставить с приоритетами системы, их техническими характеристиками и долларовыми затратами. Подход с обратным ходом — жизнеспособный соперник в приложениях с мощностью ниже нескольких сотен ватт при напряжениях от однозначных до киловольт, и он особенно привлекателен, когда требуются несколько выходов постоянного тока и изоляция входа / выхода.
Дополнительная литература:
Прочие ссылки
Обратный преобразователь — это простой импульсный источник питания для приложений переменного или постоянного тока.Это устройство с низким и средним уровнем мощности, поддерживающее несколько выходов, предназначено для передачи мощности от входа к выходу во время простоя. Его можно найти в телевизоре, плазменной лампе и многих других электронных устройствах, требующих высокого напряжения.
Вот важные факты, которые вы должны знать об этом удобном устройстве, которое позволяет выводить на более высокий или более низкий уровень, чем на входе.
Первичный переключатель обычно представляет собой MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником), трехконтактный транзистор.Он используется для переключения или усиления электронных сигналов в электронном устройстве.
Когда переключатель включен, мощность сохраняется в трансформаторе, так как выходной диод выключен. Энергия остается в хранилище до выключения переключателя. Диод позволяет току течь только в одном направлении. Ток от трансформатора увеличивается пропорционально входному напряжению, когда выходное напряжение поступает на диод.
После выключения полевого МОП-транзистора через диод протекает ток трансформатора, который уменьшается пропорционально выходному напряжению.
Обратный трансформатор, также известный как линейный выходной трансформатор, состоит из связанных индукторов, что делает его уникальным по сравнению с обычным трансформатором. Он генерирует напряжение от нескольких киловольт до 50 киловольт с токами высокой частоты от 17 кГц до 50 кГц.
Он способен передавать или сохранять энергию с помощью обмотки катушки на ферритовом сердечнике с воздушным зазором. Первичная и вторичная обмотки используются как отдельные индукторы.
Одним из основных преимуществ обратноходового преобразователя является то, что это недорогая альтернатива для повышения или понижения мощности.Еще одно ключевое преимущество обратного преобразователя заключается в том, что он очень простой с ограниченным количеством компонентов по сравнению с другими импульсными блоками питания.
Также читайте — 5 общих применений обратноходовых трансформаторовЭто также полезно, если вы хотите изолировать несколько выходных напряжений от первичной обмотки. Наконец, он обеспечивает удобство единого элемента управления для регулирования нескольких выходных напряжений.
Также прочтите — 14 основных электронных компонентов и их функцииAllied Components International специализируется на разработке и производстве широкого спектра стандартных магнитных компонентов и модулей, таких как индукторы для микросхем, магнитные индукторы на заказ и трансформаторы на заказ.Мы стремимся предоставлять нашим клиентам продукцию высокого качества, обеспечивать своевременные поставки и предлагать конкурентоспособные цены.
Мы — растущее предприятие в магнитной промышленности с более чем 20-летним опытом.
% PDF-1.4 % 2 0 obj > поток application / postscriptAdobe Illustrator CS22007-08-24T10: 56: 30-07: 002007-08-24T10: 56: 30-07: 002007-08-24T10: 56: 30-07: 00
Среди множества доступных топологий, используемых для преобразователей питания, обратная схема предлагает некоторые явные преимущества наряду с уникальными особенностями.
Существует широкий и разнообразный набор топологий преобразователей источников питания, из которых можно выбирать, каждая из которых имеет компромисс между различными характеристиками производительности и стоимостью. Конструкция с обратным ходом — это подход с преобразователем, который использовался более 70 лет и до сих пор используется, теперь с использованием ИС в качестве контроллера и различных подходов к физической реализации.
Q: Какова роль преобразователя мощности?
A: В принципе, это просто: возьмите источник питания (иногда регулируемый, иногда нет) и преобразуйте его в регулируемое выходное напряжение до определенного уровня тока или подайте регулируемый ток с требуемым напряжением соответствия.
Q: Какие параметры производительности?
A: Их много. Конечно, стоимость почти всегда среди них, но технические вопросы включают регулирование, точность, переходные характеристики, пульсации и фильтрацию, генерацию электромагнитных помех, эффективность в определенных точках нагрузки и в диапазоне нагрузок, размер, вес, сложность спецификации, стабильность, температурные характеристики. , и производительность, несмотря на допуски компонентов. Другие факторы включают изолированную конструкцию по сравнению с неизолированной, которая определяется приложением.
Q: Что такое обратный преобразователь?
A: Обратный преобразователь представляет собой простую реализацию импульсного источника питания (SMPS), и он может быть спроектирован так, чтобы обеспечивать выход постоянного тока от входа переменного или постоянного тока, с выходами как ниже, так и выше, чем источник питания ( понижающий / повышающий режим). Он имеет две различные рабочие фазы с основным принципом, согласно которому мощность со стороны входа передается на сторону выхода только тогда, когда переключатель первичной стороны выключен, а его текущий поток равен нулю или близок к нему.
Q: Где и почему используется метод обратного хода?
A: Обычно используется в диапазоне от низкой до средней мощности, от 100 до 250 Вт или меньше. Базовая конструкция с обратным ходом имеет довольно короткую и недорогую спецификацию: входной конденсатор, MOSEFT-переключатель на первичной стороне, выпрямительный диод на выходной (вторичной) стороне и выходной конденсатор. Вдобавок есть сам обратноходовой трансформатор.
Q: Какие области применения подходят для конструкции с обратным ходом?
A: Он широко используется как для более высоких, так и для более низких выходных напряжений.Многие блоки питания для ПК с несколькими выходами используют его для создания необходимых шин при различных более низких напряжениях. Но он также используется для питания через Ethernet (PoE) и для разработки гораздо более высоких напряжений, таких как ~ 20 кВ, необходимых для устаревших ЭЛТ и высокоинтенсивных ксеноновых ламп-вспышек.
В. Является ли конструкция обратного хода новой?
A: Вовсе нет. Он был разработан в 1930-х и 1940-х годах и сильно усовершенствован в 1950-х годах с появлением коммерческого телевидения. В этой роли он был необходим для высокого напряжения на ЭЛТ, как уже отмечалось, и других напряжений для электронных ламп.В результате этого обширного рынка обратноходовой преобразователь был спроектирован и оптимизирован для обеспечения низкой стоимости, высокой надежности, безопасности и технологичности.
Q: Что особенного в обратном трансформаторе?
A: В отличие от обычного трансформатора, который используется только для повышения или понижения напряжения, обратный трансформатор также используется в качестве элемента накопления магнитной энергии (таким образом, функционируя как индуктор). Это не просто двухобмоточный трансформатор (первичная / вторичная обмотка), он имеет дополнительные обмотки, необходимые для работы в режиме обратного хода.Соотношение витков трансформатора определяет выходное напряжение по отношению к входному, а также обеспечивает гальваническую (омическую) изоляцию. Кроме того, обратная схема может поддерживать несколько выходов за счет использования дополнительных обмоток.
Q: Каков основной принцип работы метода обратного хода?
A: По концепции он элегантен и прост. Когда переключатель первичной стороны замкнут, это приводит к увеличению первичного тока и магнитного потока в трансформаторе / катушке индуктивности, поскольку цепь первичной стороны питается от источника.Напряжение во вторичной обмотке отрицательное из-за относительного отношения между первичной и вторичной обмотками, поэтому диод смещен в обратном направлении и блокирует ток. Конденсатор вторичной стороны подает ток на нагрузку в течение этого периода.
Рис. 1. В первом цикле работы обратноходового преобразователя переключатель первичной стороны замкнут, что увеличивает первичный ток и магнитный поток трансформатора / индуктора (Изображение: Википедия)Затем переключатель открывается (Рисунок 2) , поэтому ток первичной стороны стремится к нулю, и магнитный поток падает.Теперь напряжение на вторичной стороне становится положительным, диод смещен в прямом направлении, и ток течет от вторичной стороны трансформатора к конденсатору, таким образом пополняя конденсатор.
Рис. 2: Во втором цикле работы обратноходового преобразователя переключатель первичной стороны размыкается, и ток течет от вторичной стороны трансформатора к конденсатору. (Изображение: Википедия)Одна аналогия, используемая для конструкции с обратным ходом, заключается в том, что выходной конденсатор похож на ведро, которое либо наполняется (перезаряжается), либо опорожняется (подает нагрузку), но никогда не делает и то и другое одновременно.Конечно, это означает, что на выходной стороне есть пульсации, которые должны быть отфильтрованы конденсатором, который когда-либо может опуститься до нулевого заряда.
Q: Итак, почему это называется конструкцией с обратным ходом?
A: Внезапная остановка / остановка, включение / выключение переключателя MOSFET дает форму волны, которая выглядит как внезапное изменение направления потока тока (Рисунок 3) .
Рис. 3: Основная форма волны обратноходовой топологии показывает резкое изменение направления и переходы для первичных и вторичных токов.(Изображение: Википедия)Q: Как регулируется выход в схеме с обратным ходом, чтобы поддерживать желаемое напряжение на нагрузке?
A: Здесь все начинает усложняться. Обычно это делается путем регулировки рабочего цикла включения / выключения переключателя первичной стороны. В некоторых конструкциях частоту переключения также можно регулировать, поскольку более быстрое переключение приводит к более точному отслеживанию выхода до желаемого выходного значения.
Q: Как контроллер получает обратную связь, необходимую для определения того, что делать в этой ситуации замкнутого контура?
A: Есть две возможности.Можно использовать специальную обмотку на трансформаторе; это традиционный способ сделать это (Рисунок 4) . Альтернативой является использование оптрона (рис. 5) , который обеспечивает обратную связь и поддерживает изоляцию ввода-вывода, как это делает трансформатор.
Рис. 4: Традиционная конструкция с обратным ходом использует трансформатор / индуктор как минимум с двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой. (Изображение: Analog Devices) Рис. 5: В некоторых конструкциях обратного хода используется оптопара для обеспечения изолированного эквивалента второй обмотки первичной стороны.(Изображение: Texas Instruments)Q: Какая техника предпочтительнее?
A: Как всегда, зависит от обстоятельств. С одной стороны, трансформатор обычно представляет собой нестандартный или менее распространенный блок, хотя есть много готовых трансформаторов, разработанных специально для конструкций с обратным ходом; тем не менее, они не так распространены, как обычные двухобмоточные агрегаты. С другой стороны, для оптопары требуются дополнительные компоненты поддержки (более высокая стоимость, более сложная спецификация, больше места на печатной плате), и есть некоторые, кто считает, что долговременная надежность оптопары не так высока, как хотелось бы (из-за старения светодиодов), хотя есть были улучшения в этой области.
Часть 2 FAQ рассматривает проблемы, которые влияют на производительность обратного хода, и то, что можно сделать для его улучшения, а также контроллеры IC, которые значительно упрощают проектирование и реализацию обратного преобразователя.
EE World Online Справочные материалы
Оптопары, Часть 1: Принципы и применение Оптопары
, Часть 2: Параметры и применение
Шум источника питания, Часть 1
Шум источника питания, Часть 2
Работа с более высокими напряжениями, Часть 1: Бустеры напряжения
Работа с более высокими напряжениями , Часть 2: Умножитель напряжения
Прочие ссылки
Обмен электротехническими стеками, «Как на самом деле работает обратный канал телевидения с ЭЛТ»
Autodesk Instructables, «Драйвер обратного трансформатора 2n3055 для начинающих»
Роберт Гаврон, «Источник высокого напряжения (10–30 кВ) из трансформатора обратного хода телевидения на ЭЛТ»
Электронное руководство по ремонту, «Что такое обратный трансформатор?
Texas Instruments, «Понимание основ обратного преобразователя»
Analog Devices, «Выход 1000 В, без оптопары, изолированный обратноходовый преобразователь»
Maxim Integrated, Указание по применению 1166, «Конструкция обратного трансформатора для источников питания MAX1856 SLIC»
|
1. ВВЕДЕНИЕ
На рисунке 1.1 показана базовая схема блока питания с обратным ходом и тремя выходами.
Блок обратного хода сочетает в себе действия разделительного трансформатора, выходного индуктор и диод маховика с одним трансформатором. Как результат этого магнитная интеграция, схема обеспечивает чрезвычайно экономичную и эффективную стабилизированные выходы постоянного тока.
Этот метод особенно полезен для приложений с несколькими выходами, где от одного источника требуется несколько полустабилизированных выходов.Главным недостатком является то, что в трансформаторе и выходных компонентах протекают большие токи пульсаций, снижение их эффективности.
В результате этого ограничения обратноходовой преобразователь обычно ограничен. до уровней мощности ниже 150 Вт. Разработчик должен учесть, что это было бы нормальным Практика включения компонентов, формирующих линию нагрузки (демпферы), в Q1 для поддержания безопасная зона эксплуатации.
2. ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В примере, показанном на рис. 1.1, основной выход управляется с обратной связью. и, таким образом, полностью регулируется.Вспомогательные выходы только частично регулируются и можно ожидать, что обеспечит регулирование линии и нагрузки порядка ± 6%. Где требуется лучшее регулирование, потребуются дополнительные вторичные регуляторы.
В источниках с обратным ходом вторичные регуляторы часто бывают линейного рассеивающего типа, хотя импульсные регуляторы могут использоваться для повышения эффективности. Для слаботочных выходы, стандартные трехконтактные регуляторы IC особенно полезны. Рассеивание в линейных регуляторах сведено к минимуму в результате предварительной регулировки. обеспечивается замкнутым контуром управления основным выходом.В некоторых приложениях регулирование с обратной связью может быть разделено между двумя или более выходами.
Так как наиболее экономичные обратноходовые преобразователи не имеют дополнительных вторичные регуляторы, завышение требований к требованиям является ошибкой. Жизненноважный достоинства этого типа преобразователя — простота и дешевизна — будут потеряны если требуется дополнительная схема для соответствия очень важным спецификациям. Для такие приложения дизайнеру следовало бы рассмотреть одно из наиболее сложных топологии с несколькими выходами с присущей им более высокой производительностью.
РИС. 1.1 Блок выпрямителя и преобразователя мощности типичного тройного выхода,
импульсный источник питания прямого автономного обратного хода (понижающий-повышающий).
2.1 Пульсация и шум на выходе
Если требуются очень низкие уровни пульсации на выходе, добавление небольшого LC-фильтр шума возле выходных клемм часто устраняет необходимость в дорогие конденсаторы с низким ESR в позициях основного вторичного резервуара.
Например, типичный источник питания 5 В и 10 А может использовать высококачественный источник с низким ESR. конденсаторы в позициях C1, C2 и C3 одноступенчатого фильтра, показанного на Инжир.1.1, но это редко дает значение пульсации менее 100 мВ. Тем не менее, относительно легко поддерживать показатели пульсации ниже 30 мВ при низких затратах. стандартные электролитические конденсаторы используются в позициях C1, C2 и C3 путем добавления выходной LC-фильтр высоких частот. Такой подход может быть очень эффективным и экономически эффективным. (См. Часть 1, раздел. 20.) Следует понимать, что в обратный преобразователь дроссель фильтра может быть довольно маленьким, так как он не требуется для хранения энергии (как в прямом преобразователе).
2.2 Синхронизация
В устройствах обратного хода с фиксированной частотой некоторые средства синхронизации переключения часто предоставляется частота для внешних часов. Эта синхронизация может приводят к меньшему количеству проблем с помехами в некоторых приложениях.
3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ
В обратном преобразователе четко определены два режима работы:
1. «Полная передача энергии» (прерывистый режим), в котором все энергия, которая была сохранена в трансформаторе в течение периода хранения энергии (период «включен») переносится на выход в течение периода обратного хода (период «выключения»).
2. «Неполная передача энергии» (непрерывный режим), в которой часть энергии, запасенной в трансформаторе в конце периода «включения» остается в трансформаторе в начале следующего периода включения.
3.1 Передаточная функция
Передаточные функции слабого сигнала для этих двух режимов работы вполне приемлемы. разные, и в этом разделе они рассматриваются отдельно. На практике, когда широкий диапазон входных напряжений, выходных напряжений и токов нагрузки требуется, обратный преобразователь должен будет работать (и быть стабильным) как в режиме полной, так и в неполной передаче энергии, поскольку оба режима будут встретиться в какой-то момент в рабочем диапазоне.
В результате изменения передаточной функции в точке, где есть переход из одного режима в другой вместе с объединением в один компонент трансформатора, выходного дросселя и диода маховика, обратноходовых преобразователей может быть одним из самых сложных в разработке.
3.2 Управление токовым режимом
Введение токового режима в действие с широтно-импульсной модуляцией значительно упрощает стабилизацию контура управления, особенно для полного режим передачи энергии.
Следовательно, для обратноходовых систем рекомендуется управление в режиме тока. Однако текущий режим управление не устраняет проблемы устойчивости, присущие неполному режим передачи энергии из-за «нуля правой полуплоскости» в функция передачи. Это потребует, чтобы коэффициент усиления контура управления снизился. на низкой частоте, ухудшающей переходную характеристику.
4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Рассмотрим Рис. 1.1. В этой схеме высоковольтный выпрямитель 300 В постоянного тока линия переключается через первичную обмотку P1 трансформатора с помощью одного коммутационное устройство Q1.Цепь управления имеет фиксированную частоту, а рабочий коэффициент Q1 регулируется для поддержания постоянного выходного напряжения на основной выходная линия. Будет показано, что установка может работать в полной или неполной режим передачи энергии в зависимости от продолжительности включения и нагрузки.
5 ФАЗА ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Фазу накопления энергии лучше всего понять, рассмотрев действие базовый обратный преобразователь с одним выходом показан на рис. 1.2.
РИС.1.2 Упрощенная силовая часть обратного (повышающего) преобразователя.
При включении транзистора Q1 запуск всех обмоток на трансформаторе пойдет положительно. Выходной выпрямительный диод D1 будет иметь обратное смещение и не будет вести; поэтому ток не будет течь во вторичной обмотке, пока Q1 проводит.
Во время этой фазы накопления энергии активна только первичная обмотка, а трансформатор можно рассматривать как простой последовательный индуктор; следовательно, схема может далее упрощенно до показанного на рис.1.3a.
Из рис. 1.3а видно, что при включении Q1 первичный ток Ip будет увеличиваться со скоростью, указанной на
di_ p / dt = Vcc / Lp
Где VCc = напряжение питания
Lp = первичная индуктивность
Это уравнение показывает, что будет линейное увеличение первичного тока. за время, пока Q1 проводит, (тонны). В этот период плотность потока в активной зоне увеличится от остаточного значения Br до своего пикового рабочего значения Bw. Соответствующие изменения формы волны тока и плотности потока показаны на Инжир.1.3b.
РИС. 1.3 (a) Эквивалентная первичная цепь во время фазы накопления энергии.
(b) Форма волны первичного тока и намагниченность во время фазы накопления энергии.
6 РЕЖИМЫ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ (ФАЗА НАЗАД)
Когда Q1 отключается, первичный ток должен упасть до нуля. Трансформатор ампер-витки не могут измениться без соответствующего изменения плотности потока дельта B. Поскольку изменение плотности магнитного потока теперь идет в отрицательную сторону, напряжения обратный ход на всех обмотках (обратный ход).Вторичный выпрямительный диод D1 будет проводить, и ток намагничивания теперь перейдет во вторичную обмотку. Он будет продолжать течь по вторичной обмотке от начала до конца. Следовательно, вторичный (обратный) ток течет в том же направлении в обмотках как исходный первичный ток, но его величина определяется соотношением витков.
(произведение ампер-витков остается постоянным.) В установившихся условиях вторичная наведенная ЭДС (обратное напряжение) должна иметь значение, превышающее напряжение на C1 (выходное напряжение) до того, как диод D1 может проводить.На это время, когда обратный ток будет течь во вторичной обмотке, начиная с максимума значение Is, где Is = nIp. (n — коэффициент трансформации трансформатора, Ip — пик первичный ток в момент выключения Q1.) Обратный ток будет упадут до нуля в течение периода обратного хода. Поскольку в период обратного вылета Q1 выключен, и первичный ток больше не проводит, первичный обмоткой теперь можно пренебречь, и схема упрощается до показанной на рис. 1.4a. Форма волны вторичного тока обратного хода показана на рис.1.4b.
РИС. 1.4 (a) Эквивалентная вторичная цепь во время фазы передачи энергии (период обратного перелета). (б) Форма волны вторичного тока и намагниченность во время обратный период.
Для условий полной передачи энергии период обратного хода всегда меньше чем период «выключения», и плотность потока в сердечнике упадет от его пикового значения Bw до его остаточного значения Br в течение периода обратного хода. Вторичный ток также будет спадать со скоростью, заданной вторичным током. напряжение и вторичная индуктивность; отсюда (без учета диодного падения)
Di / dt = Vs / L s
Где:
Вс = напряжение питания
Ls = первичная индуктивность
7. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ
7.1 Полная передача энергии
Если обратный ток достигает нуля до следующего периода включения Q1, как показано на рис. 1.5a, система работает на полной энергии режим передачи. То есть вся энергия, которая была сохранена в первичной обмотке трансформатора. индуктивность в течение периода включения будет перенесена на выходной цепи в течение периода обратного хода, до начала следующего периода хранения.
Если обратный ток не достигает нуля до следующего периода включения (Рисунок.1.5b), то система работает в режиме неполной передачи энергии режим.
РИС. 1.5 (a) Форма кривой первичного тока Ip и формы кривой вторичного тока
Есть (работа в прерывистом режиме). (b) Первичные и вторичные формы сигналов на
переход из прерывного режима в непрерывный или неполный энергетический
режим передачи.
7.2 Неполная передача энергии
Если в примере схемы, показанной на рис. 1.2, период включения увеличивается и соответственно уменьшается период «выключения», более энергия сохраняется в трансформаторе во время «включенного» периода.
Для установившегося режима работы эта дополнительная энергия должна извлекаться в период «выключения». Если входное и выходное напряжения должны поддерживаться постоянными, оно будет Показано, что ток нагрузки необходимо увеличить, чтобы удалить лишнюю энергию.
Наклон входных и выходных токовых характеристик не может измениться, потому что первичные и вторичные напряжения и индуктивности постоянны. Далее равенство прямого и обратного вольт-секунд, подаваемых на трансформатор должен поддерживаться в устойчивых условиях.Следовательно, для увеличенного периода «включения» будет установлено новое рабочее состояние, как показано на рис. 1.5b.
Если нагрузка превышает это условие, ток не будет равен нулю. в начале периода «включено», и останется равное значение по окончании периода «выключения» (с учетом очередей соотношение). Это известно как работа в непрерывном режиме или неполная передача энергии. так как часть энергии остается в магнитном поле в конце обратный период.Поскольку область под кривой вторичного тока теперь больше на составляющую постоянного тока, ток нагрузки должен быть больше, чтобы поддерживать установившееся состояние. условия.
Примечание: поведение всей системы не следует путать с термином «неполная передача энергии «, поскольку в стационарных условиях вся энергия ввод трансформатора в период «включения» будет переведен к выходу в период обратного хода.
В этом примере переход от полной к неполной передаче энергии был вызван увеличением периода «включения».Однако следующие Уравнение показывает, что режим работы фактически определяется четырьмя факторами: входное и выходное напряжение, расстояние между метками и соотношение витков трансформатор.
Как упоминалось ранее, в установившемся режиме изменение потока плотность в течение периода «включения» должна равняться обратному изменению потока. плотность во время обратного периода. Отсюда:
дельта B = Vt / N = Vs toff / Ns
Из этого уравнения видно, что первичные вольт-секунды на оборот должно быть равно вторичному вольт-секундам на оборот, если стабильная рабочая точка для плотности потока устанавливается.
В прямом направлении период включения можно регулировать с помощью схема управления для определения пикового первичного тока. Однако во время обратного полета период, выходное напряжение и вторичные витки постоянны, а активный период обратного хода должен автоматически регулироваться до достижения новой стабильной рабочей точки трансформатора. плотность потока установлена. Это может продолжаться до периода обратного хода. расширяется до начала следующего периода «включения» (рис. 1.5b).
В критической точке, когда обратный ток только что достиг нуля перед следующий период включения, любое дальнейшее увеличение продолжительности включения или нагрузки приведет к тому, что установка перейдет от полной к неполной передаче энергии режим.На этом этапе не требуется дальнейшего увеличения ширины импульса для передачи больше тока, и выходное сопротивление становится очень низким. Следовательно, перенос Функция преобразователя меняется на двухполюсную систему с низким сопротивлением.
8. НЕИСПРАВНОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ФУНКЦИИ
Обратный преобразователь работает в разомкнутом контуре при полной передаче энергии режим (прерывистый режим) имеет простую однополюсную передаточную функцию и высокое выходное сопротивление на вторичной обмотке трансформатора.(Чтобы передать больше мощности требует увеличения ширины импульса.)
Когда эта система возвращается в режим неполной передачи энергии (непрерывный режим операции) передаточная функция изменена на двухполюсную систему с низким выходное сопротивление (ширина импульса лишь немного увеличивается при увеличении мощности требуется). Далее, есть «нуль правой полуплоскости» в передаточная функция, которая вводит дополнительный сдвиг фазы на 180 ° при высоком частота; это может вызвать нестабильность.Стабильность контура должна быть проверена на оба режима работы, если оба режима возможны в нормальном режиме использовать. Чтобы определить необходимость в этом, рассмотрите легкую загрузку, нормальную загрузку, и условия короткого замыкания. Во многих случаях, хотя полная передача энергии Возможно, это было задумано при проектировании, неполная передача может произойти при перегрузке или условия короткого замыкания при низких входных напряжениях, ведущие к нестабильности.
9. ПРОПУСКНАЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ТРАНСФОРМАТОРА
Иногда предполагается, что трансформатор, работающий на полную мощность режим передачи имеет большую передаваемую мощность, чем тот же трансформатор, работающий в режиме неполной передачи.(Звучит так, как будто должно.) Однако это истина, только если основной зазор остается неизменным.
На рис. 1.6a и b показано, как при использовании большего воздушного зазора тот же трансформатор может быть сделано для передачи большей мощности в режиме неполной передачи, чем это ранее выполнялся в режиме полной передачи (даже с меньшим отклонением потока). В приложениях, в которых трансформатор имеет «ограниченные потери в сердечнике» (обычно выше 60 кГц для типичных ферритовых трансформаторов), значительно большая мощность может передаваться в режиме неполной передачи энергии, потому что уменьшенная отклонение потока приводит к меньшим потерям в сердечнике и уменьшенным токам пульсации в как первичный, так и вторичный.
На рисунке 1.6a показана кривая B / H для сердечника с малым воздушным зазором и большим изменение плотности потока. На рисунке 2.1.6b показана кривая B / H для той же активной зоны с больший воздушный зазор и меньшее изменение плотности потока.
В общем, мощность, доступная для передачи, определяется по формуле:
P = интеграл fVc H дБ
Где f = частота
Ve = эффективный объем сердечника и воздушного зазора
Эта мощность пропорциональна заштрихованной области слева от кривой B / H. на рис.2 передается в выходной контур каждый цикл.
В заключение проектировщик должен выбрать режим работы в зависимости от требуемая производительность и передаваемая мощность, помните о необходимости проверить режим работы при всех возможных условиях нагрузки и быть подготовлен к проектированию контура управления для работы во всех реальных условиях.
РИС. 1.6 (a) Петля намагничивания и энергия, передаваемая в обратном преобразователе
трансформатор при небольшом воздушном зазоре сердечника (магнитный путь с высокой магнитной проницаемостью).(b) Контур намагничивания и энергия, передаваемая в трансформаторе обратноходового преобразователя.
когда в сердечнике используется большой воздушный зазор.
10. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Проектировщик должен быть внимателен к тенденции к эскалации спецификаций. Когда необходимо рассмотреть обратный преобразователь и потенциальные требования большие, затраты часто бывают особенно чувствительными. Дизайнер должен установить с заказчиком реальные ограничения приложения. Вполне может быть, что типичная производительность регулирования 6% на вспомогательных выходах многоступенчатого выхода единица будет приемлемой.Это позволяет полурегулируемой системе обратного хода быть использовал. Чтобы гарантировать результат в 5% (вряд ли лучше), вторичный регулятор потребуются, что приведет к потере эффективности и увеличению затрат.
Очень часто спецификации требуют фиксированной частоты или даже синхронизированной частоты. рабочее состояние. Эта синхронизация часто указывается, когда источник питания должен использоваться для видеотерминалов или компьютерных приложений. Очень часто, при определении таких требований пользователь делает предположение, что Коммутационный шум или магнитное поле, создаваемое источником питания, в некоторых способ мешать работе системы.Однако в хорошо спроектированном, хорошо отфильтрованном, и хорошо экранированный современный импульсный блок питания, уровень шума вряд ли будет достаточно высокий, чтобы вызвать помехи. Более того, во многих случаях синхронизация делает шум еще более заметным.
В любом случае синхронизация — плохая замена устранения шума. проблема вообще.
Если спецификация требует фиксированной частоты или синхронизации, разработчик Было бы хорошо, если бы уточнить это требование у пользователя.Доступны для демонстрации хорошо экранированный частотно-регулируемый блок. На нем должен быть медный экран. трансформатор и выходной LC-фильтр второй ступени. Если есть возможность, попробуйте образец в реальном приложении. Автор обнаружил, что пользователь часто хорошо себя чувствует. Результатом доволен, ну и, конечно, стоимостью поставки в таком случае будет намного ниже.
В некоторых приложениях, в которых необходимо использовать несколько импульсных источников питания. от того же источника питания (чаще всего с преобразователями постоянного тока), вход требования к фильтрам могут быть уменьшены за счет использования синхронизированных и сдвинутых по фазе часовые системы.Этот подход также устраняет низкочастотную интермодуляцию. компоненты, и в этом приложении дополнительная стоимость синхронизированного блока может хорошо быть оправданным.
Полностью изучив приложение, дизайнер может уверенно выбрать наиболее эффективный подход, соответствующий конечной спецификации требования.
11. ПРИМЕР ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ПРЯМОГО ОТКЛЮЧЕННОГО ПИТАНИЯ НА 110 ВТ ПОДАЧА
Для следующего примера несимметричный биполярный обратный ход с фиксированной частотой блок с тремя выходами и мощностью 110 Вт.Это будет позже будет показано, что тот же подход к проектированию применим к частотно-регулируемым автоколебательные агрегаты.
Хотя большинство классических подходов к проектированию предполагают, что режим работы будет либо полностью полная передача энергии (прерывистый режим), либо полностью неполная передача энергии (непрерывный режим), на практике система маловероятна оставаться в любом из этих двух режимов на протяжении всего рабочего диапазона. Следовательно, в используемом здесь упрощенном подходе к проектированию предполагается, что что оба режима работы будут существовать в какой-то момент в пределах рабочего диапазона.Этот подход также имеет тенденцию давать более высокую эффективность, так как пиковая первичная и вторичные токи уменьшаются.
11.1 Технические характеристики
Выходная мощность: 110 Вт
Диапазон входного напряжения: 90-137 / 180-250 (выбирается пользователем)
Рабочая частота: 30 кГц
Выходные напряжения: 5 В, 10 А, 12 В, 3 А -12 В, 2 А
Регулировка линии и нагрузки: 1% для основного выхода 5 В 6% типично для 40% нагрузки изменение (от 60% от номинала)
Диапазон выходного тока: от 20% до полной нагрузки
Пульсации и шум на выходе: максимум 1%
Центрирование выходного напряжения: ± 1% на линиях 5 В ± 3% на линиях 12 В
Защита от перегрузки: по первичному ограничению мощности и отключению, требующему включения / выключения питания цикл сброса
Защита от перенапряжения: линия 5 В только при отключении преобразователя, т.е.э., лом не требуется
11.2 Силовая цепь
Вышеуказанные требования спецификации могут быть выполнены с использованием одностороннего обратного хода. система без вторичных регуляторов (см. рис. 1.1). Чтобы удовлетворить потребность в двойное входное напряжение путем смены звена, можно использовать методы удвоения напряжения для выпрямителей входной линии, когда они настроены на работу 110 В. Вследствие этого, выпрямленная линия постоянного тока будет примерно 300 В для 110 В или 220 В номинальные входы.
Имеется аналог первичного тока по напряжению для ограничения первичной мощности. на эмиттерном резисторе R1. Эта форма волны также может использоваться для управления целей, когда необходимо использовать управление текущим режимом. Отдельная защита от перенапряжения цепь контролирует выход 5 В и отключает преобразователь в случае сбой в основном контуре управления.
Для удовлетворения требований к низкой пульсации на выходе двухступенчатый LC-фильтр будет быть установленным в этом примере. Фильтр такого типа позволит использовать стандартные фильтры среднего класса. электролитические выходные конденсаторы должны использоваться, что дает более низкую стоимость компонентов.(А подходящий фильтр показан в Части 1.) Предполагается, что цепь управления замкнута. к выходу 5 В, чтобы обеспечить наилучшее регулирование на этой линии. Детали схема возбуждения опущена; подходящие системы можно найти в Части 1, разделы. 15 и 16.
11.3 Конструкция трансформатора
Конструкция трансформатора для этого источника питания показана в Части 2, Разделе. 2.
12. ВИКТОРИНА
Из какого семейства преобразователей создан обратный преобразователь?
2.Во время какой фазы работы энергия передается вторичной обмотке. в обратном преобразователе?
3. Опишите основные преимущества метода обратного хода.
4. Опишите основные недостатки метода обратного хода.
5. Почему коэффициент использования трансформатора обратного преобразователя часто бывает намного ниже, чем у двухтактной системы?
6. При каких условиях эксплуатации обратный преобразователь даст сердечник коэффициент использования аналогичен прямому преобразователю?
7.Почему в системе обратного хода не требуется выходной дроссель?
8. Опишите два основных режима работы обратного преобразователя.
9. Каковы основные различия в передаточных функциях между непрерывным и непрерывным прерывистый режим работы?
10. Почему обычно требуется воздушный зазор в сердечнике обратного трансформатора? когда используется материал ферритового сердечника?
11. Почему ограничивается только первичная мощность обычно недостаточно для полной защиты от короткого замыкания обратноходового преобразователя?
См. Также: Другая наша мощность переключения Руководство по расходным материалам
Импульсный или импульсный источник питания или просто SMPS — это тип блока питания (БП), который использует какие-либо переключающие устройства для передачи электроэнергии от источника к нагрузке.Обычно источником является переменный или постоянный ток, а нагрузкой — постоянный ток.
Самым распространенным применением SMPS является блок питания компьютера. Импульсный источник питания (SMPS) стал стандартным типом блока питания для электронных устройств из-за их высокой эффективности, низкой стоимости и высокой плотности мощности.
На следующем изображении показан блок SMPS от старого настольного компьютера. Этот конкретный ИИП рассчитан на мощность 90 Вт.
Блок питания является важной частью электрической цепи, поскольку он обеспечивает питание цепи для правильной работы.Практически все электронные устройства требуют постоянного напряжения без каких-либо колебаний. Источник питания принимает нерегулируемую мощность и преобразует ее в стабильную регулируемую мощность. В основном существуют две категории источников питания: источники питания с линейной регулировкой и импульсные источники питания (SMPS).
Источник питания с линейной регулировкой — это источник питания, который регулирует выходное напряжение с помощью последовательного элемента управления. Базовым примером элемента последовательного прохода является резистор.Но часто используемые элементы последовательного прохода — это BJT или MOSFET в активном или линейном режиме и подключаются последовательно с нагрузкой.
В зависимости от изменений входа или нагрузки, ток через транзистор изменяется, чтобы поддерживать постоянный выход. Разница между входным и выходным напряжениями (нагрузки) уменьшается на транзисторе, и эта избыточная мощность, то есть разница между входной и выходной мощностью (нагрузки), рассеивается транзистором в виде тепла.
На следующем изображении показана базовая структура источника питания с линейной регулировкой.
Из приведенного выше изображения источник входного переменного тока подается на выпрямитель и фильтр для преобразования его в постоянный ток. Но этот источник постоянного тока не регулируется, так как он подвержен изменениям при изменении входного сигнала. Этот нерегулируемый источник постоянного тока подается на вход линейного регулятора.
SMPS — это тип регулируемого источника питания, в котором используется высокочастотный импульсный стабилизатор для преобразования источника питания, а также для высокоэффективного регулирования выходной мощности.
Импульсный стабилизатор снова представляет собой транзистор (например, силовой полевой МОП-транзистор), как и в линейном регуляторе, но разница в том, что проходной транзистор в SMPS не остается постоянно в состоянии насыщения или полностью включенном состоянии, а скорее переключается между полностью включенным и полностью выключенным. состояния с очень высокой частотой.Отсюда и название «Импульсный источник питания».
Поскольку среднее время, в течение которого переключающий элемент, то есть транзистор, остается в активном состоянии, меньше, количество энергии, теряемой или рассеиваемой в виде тепла, очень мало по сравнению с линейными регуляторами. Это, в свою очередь, приводит к высокой эффективности SMPS, поскольку падение напряжения на проходном транзисторе (или переключающем элементе) очень мало.
Переключение транзистора контролируется с помощью метода, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), а выходное напряжение может регулироваться рабочим циклом ШИМ.
На изображении выше показана базовая структура блока SMPS. В этом случае нерегулируемый источник постоянного тока подается на схему прерывателя постоянного тока с переключением постоянного тока, а на выходе — регулируемый источник постоянного тока.
Основное различие между структурами линейно регулируемого источника питания и импульсного источника питания, показанных здесь, заключается в том, что в случае линейного источника питания входной переменный ток понижается, выпрямляется и фильтруется, чтобы получить нерегулируемый постоянный ток, а в случае SMPS — входной переменный ток напрямую выпрямляется и фильтруется, а нерегулируемый постоянный ток высокого напряжения подается на высокочастотный преобразователь постоянного тока в постоянный.
Обычно высокочастотный трансформатор является частью этого преобразователя постоянного тока для масштабирования и изоляции.
| Спецификация | Линейный | SMPS |
| КПД | Типичный КПД | 60-329 достигается с помощью хорошей конструкции|
| Выходное напряжение | Всегда меньше входного | Может быть больше или меньше входного |
| Метод регулирования | Путем рассеивания избыточной мощности | Путем изменения рабочего цикла ШИМ |
| Цепь Сложность | Менее сложный; состоит из регулятора и фильтра в качестве основных компонентов | Очень сложный; состоит из переключающего элемента, высокочастотного трансформатора, выпрямителей и фильтров, цепи обратной связи |
| Шум и помехи | Меньший электронный шум на выходе и умеренные высокочастотные помехи | Высокие помехи и шум из-за частого коммутируемого тока |
| Размер и вес | Громоздкий из-за трансформатора и радиатора | Нет трансформатора на входе, но требуется крошечный высокочастотный трансформатор |
| Приложения | Низкое энергопотребление, простые и недорогие системы | Высокая мощность, сложные и стабильные требования к питанию |
Несмотря на то, что конструкция импульсного источника питания (SMPS) более сложна, чем линейно регулируемый источник питания, его высокая эффективность, высокая мощность и стабильность являются основными факторами при выборе SMPS в качестве источника питания для чувствительные электронные устройства.
Большинство электронных нагрузок постоянного тока, таких как микропроцессоры, микроконтроллеры, светодиоды, транзисторы, микросхемы, двигатели и т. Д., Поставляются со стандартными источниками питания, такими как, например, батареи. К сожалению, основная проблема аккумуляторов — это слишком высокое или слишком низкое напряжение. Следовательно, SMPS будет обеспечивать регулируемый выход постоянного тока.
SMPS — это универсальный источник питания, поскольку мы можем выбирать из различных топологий, таких как Step-up (Boost), Step-down (Buck), источники питания с изоляцией на входе и выходе в зависимости от типа приложения.
Исходя из основного фактора, почему нам нужен SMPS, эффективность хорошей конструкции SMPS может достигать 90% или даже больше. Напротив, эффективность источника питания с линейной регулировкой зависит от падения напряжения на проходном транзисторе.
Например, предположим, что у нас есть литиевая батарея на 3 В, которую нужно понизить до нагрузки 1,8 В, потребляя ток 100 мА. Мощность, теряемая транзистором в виде тепла, составляет 0,12 Вт, следовательно, КПД блока питания составляет 40%.
ИСSMPS обладают более или менее всеми функциями дискретной конструкции SMPS, что позволяет инженерам экспериментировать с дизайном для индивидуальных проектов.
Конструкция импульсного источника питания или SMPS довольно сложна по сравнению с линейным регулируемым источником питания. Но такая сложность конструкции имеет преимущество, так как она приводит к стабильному и регулируемому источнику постоянного тока, способному обеспечивать более высокую мощность эффективным способом для заданных физических характеристик (размера, веса и стоимости).
Упрощенная блок-схема SMPS, который преобразует входной переменный ток в регулируемый постоянный ток, показана на следующем изображении.
Несмотря на то, что существует множество типов конструкции источников питания SMPS, все конструкции будут более или менее похожи на структуру, показанную выше.Основными типами конструкции в SMPS являются:
В случае систем SMPS постоянного тока, входной постоянный ток обычно подается от батареи и, следовательно, обе схемы преобразователя постоянного тока в постоянный (повышающий и понижающий) обычно встречаются в системах с батарейным питанием.
Возвращаясь к конструкции SMPS на изображении выше, он представляет собой типичный преобразователь переменного тока в постоянный. Мы увидим основную работу этого проекта SMPS. Входное питание переменного тока подается на цепи выпрямителя и фильтра. Этот шаг преобразует высоковольтный переменный ток в высоковольтный постоянный ток.
Этот высоковольтный постоянный ток подается на высокоскоростной переключающий элемент, такой как силовой полевой МОП-транзистор. Выход этого переключателя, который представляет собой высокочастотный пульсирующий переменный ток высокого напряжения, подается на высокочастотный понижающий трансформатор.
Выходом этого трансформатора является сигнал низкого напряжения переменного тока, который, в свою очередь, подается на выпрямитель и схему фильтра для получения постоянного напряжения низкого напряжения.
Важные моменты для примечания :
В приведенном выше разделе мы видели базовую конструкцию импульсного источника питания (SMPS).Теперь мы увидим различные типы или топологии SMPS. Импульсные источники питания или SMPS можно разделить на два типа в зависимости от топологии схемы: неизолированные преобразователи и изолированные преобразователи.
Неизолированные преобразователи — это тип топологии SMPS, в которой коммутационная цепь и выход не изолированы, то есть имеют общий вывод. Три основных и важных типа неизолированных SMPS:
Существуют и другие неизолированные конструкции SMPS, такие как Коммутируемые конденсаторы, преобразователь Cuk и преобразователь SEPIC, но эти три типа очень важны.Они являются простейшими из конструкций SMPS и используют один индуктор в качестве элемента накопления энергии и два переключателя, из которых один является активным переключателем (транзистор — силовой MOSFET), а другой может быть диодом.
Выходное напряжение может быть выше (Boost или Step-up) или ниже (Buck или Step-down) и может регулироваться рабочим циклом высокочастотной прямоугольной волны (которая применяется к переключателю). Одним из основных недостатков неизолированной топологии является то, что эффективность коммутаторов падает с уменьшением рабочего цикла.Изолированная топология лучше подходит для больших изменений напряжения.
Изолированная топология в SMPS использует трансформатор в качестве изолятора между переключающим элементом и выходом. В зависимости от коэффициента трансформации трансформатора выходное напряжение может быть выше или ниже входного. Топологии SMPS на основе трансформатора могут быть разработаны для генерации нескольких выходных напряжений за счет использования нескольких обмоток на трансформаторе.
Энергоаккумуляторным элементом может быть вторичная обмотка трансформатора или отдельный индуктор.Двумя важными преобразователями SMPS на основе изолированной топологии являются:
Некоторые из других часто используемых изолированных топологий SMPS — это полумост, полный мост, двухтактный, полумостовой, изолированный Cuk и т. д.
Понижающий преобразователь или понижающий преобразовательПонижающий преобразователь — это тип схемы SMPS и преобразователя постоянного тока в постоянный, где выходное напряжение меньше входного напряжения. Следовательно, понижающий преобразователь также известен как понижающий преобразователь.
Это один из простейших методов преобразователя питания SMPS, который часто используется в RAM, CPU, USB и т. Д. Входной преобразователь постоянного тока в понижающий преобразователь может быть выпрямленным переменным током или аккумулятором. Простой понижающий преобразователь, использующий два переключателя (один транзистор и один диод) и элемент накопления энергии (индуктор), показан на изображении ниже.
Простой понижающий преобразователь или понижающий преобразователь показан на изображении выше и состоит из переключающего транзистора, диода, катушки индуктивности и конденсатора.Комбинация индуктора, диода и конденсатора называется схемой маховика.
Работа понижающего преобразователя объясняется в отношении прямоугольного импульса. На следующем изображении показана работа понижающего преобразователя при ВЫСОКОМ входном импульсе, т. Е. Переключающий транзистор включен.
Когда импульсный вход на клемму затвора полевого МОП-транзистора ВЫСОКИЙ, транзистор включен. В результате транзистор будет подавать ток на нагрузку. В это время диод D смещен в обратном направлении и не будет частью схемы в течение этого периода.
Первоначально индуктор сопротивляется изменению тока и, следовательно, ток нагрузки будет постепенно увеличиваться с расширением магнитного поля. Кроме того, заряд конденсатора постепенно увеличивается до напряжения питания. Следующее изображение относится к состоянию, когда импульс становится НИЗКИМ, т.е. транзистор выключен.
Когда импульс становится LOW, переключающий транзистор выключается. Магнитное поле, которое создается во время включения транзистора, теперь начинает разрушаться и высвобождает энергию обратно в схему.Полярность напряжения на катушке индуктивности, т. Е. Ее обратной ЭДС, теперь обратная. Энергия от катушки индуктивности начинает коллапсировать и поддерживает ток, протекающий в цепи через нагрузку и диод, поскольку диод D смещен в прямом направлении.
Как только энергия от катушки индуктивности полностью израсходована, конденсатор начинает разряжаться и действует как основной источник питания до тех пор, пока транзистор не будет включен. Когда транзистор включен, он снова будет подавать ток на катушку индуктивности, конденсатор и нагрузку, и процесс продолжается.
Выходное напряжение зависит от времени включения и выключения, т.е. от рабочего цикла прямоугольного импульса, а формула для выходного напряжения:
VOUT = D x VIN, где D = TON / (TON + TOFF)
Понижающие преобразователи позволяют достичь КПД более 90%, и в результате они часто используются в компьютерных системах, где они преобразуют напряжение питания 12 В в обычно 1,8 В (для RAM, CPU и USB).
В предыдущем разделе мы видели импульсный импульсный преобразователь типа понижающего преобразователя.Теперь мы рассмотрим другой тип SMPS, называемый повышающим преобразователем или повышающим преобразователем. Повышающий преобразователь, как следует из названия, представляет собой тип импульсного источника питания, который повышает или увеличивает выходное напряжение по сравнению с входным. Повышающие преобразователи также известны как повышающие преобразователи, поскольку выходное напряжение выше входного.
Одно из самых известных применений повышающих преобразователей — электромобили. Электропитания от аккумуляторов электромобилей будет недостаточно для его работы, поскольку они требуют напряжения, которое намного выше (обычно в районе 500 В), чем напряжение, подаваемое от аккумуляторов.Еще одно важное применение повышающих преобразователей — это автомобильные зарядные устройства.
Обычные автомобильные аккумуляторы обеспечивают напряжение 12 В, а ноутбуки — от 18 до 22 В. На следующем изображении показан простой преобразователь Boost Converter.
Этот простой повышающий преобразователь состоит из переключающего транзистора (можно использовать BJT или MOSFETS), элемента накопления энергии, то есть индуктора, другого переключателя (диода или другого транзистора), конденсатора и высокочастотного генератора прямоугольной формы с контролируемый рабочий цикл.
Вход в этот повышающий преобразователь — это нерегулируемый постоянный ток, который может подаваться от выпрямленного переменного тока, батарей, солнечных батарей, генераторов постоянного тока и т. Д. Мы увидим работу этого повышающего преобразователя. Сначала мы увидим период, когда транзистор впервые включен. На следующем изображении показано это состояние.
Когда импульс ВЫСОКИЙ в первый раз, транзистор включается и замыкает часть цепи, состоящую из индуктора, транзистора и источника питания. Ток течет от входа через катушку индуктивности и транзистор.
Катушка индуктивности изначально сопротивляется изменению тока, но магнитное поле будет постепенно увеличиваться, позволяя индуктору накапливать энергию. Импеданс остальной части схемы, то есть диода, конденсатора и нагрузки, намного выше, и, следовательно, в этой части схемы не будет протекания тока.
Когда прямоугольный импульс становится НИЗКИМ, транзистор выключается. Это действие вызовет падение тока через катушку индуктивности, создавая в цепи обратную ЭДС из-за коллапса магнитного поля.Кроме того, полярность напряжения на катушке индуктивности теперь обратная и будет последовательно с входным напряжением.
Комбинация входного напряжения и обратной ЭДС индуктора не может проходить через индуктор, когда он выключен. Следовательно, диод смещен в прямом направлении и заряжает конденсатор, а также подает ток на нагрузку.
Здесь важно отметить, что напряжение, подаваемое на конденсатор и нагрузку во время выключенного состояния транзистора, представляет собой комбинацию входного напряжения и обратной индуктивности e.м.ф., что выше входного напряжения.
Когда транзистор снова включается, ток снова течет через катушку индуктивности и транзистор. Поскольку диод смещен в обратном направлении, конденсатор разряжает его потенциал, который является суммой входного напряжения и напряжения катушки индуктивности, через нагрузку, действующую как его источник в течение этого периода. Выходное напряжение задается формулой
VOUT = VIN x 1 / (1-D), где D = TON / (TON + TOFF)
Обратный преобразователь обычно представляет собой тип импульсного источника питания. используется в приложениях с низким энергопотреблением.Обратный преобразователь — это ИИП изолированного типа, в котором вход и выход изолированы трансформатором. Ниже представлена схема простого обратноходового преобразователя.
Основными компонентами обратного преобразователя являются переключающий транзистор, схема генератора, трансформатор, переключатель (например, диод) и конденсатор. Трансформатор отличается от обычного трансформатора и называется обратным трансформатором. В этом трансформаторе первичная и вторичная обмотки не проводят одновременно.
Когда транзистор включен, ток течет через первичную обмотку трансформатора, и точка имеет более высокий потенциал.В результате полярность напряжения, индуцированного во вторичной обмотке, будет обратной полярности первичной. Следовательно, диод D смещается в обратном направлении.
Если конденсатор был заряжен в предыдущем цикле, он разрядится через нагрузку. На следующем изображении показан этот период работы обратноходового преобразователя.
Работа обратного преобразователя в другой период, т.е. период выключения транзистора, проиллюстрирована на следующем изображении. Когда импульс становится НИЗКИМ, транзистор выключен и первичная обмотка трансформатора не проводит ток.
Энергия во вторичной обмотке трансформатора будет передана в цепь, а также полярность вторичной обмотки будет обратной, т.е. она станет положительной. Следовательно, диод смещен в прямом направлении, позволяя энергии, накопленной во вторичной катушке, действовать как источник. Он заряжает конденсатор, а также подает ток на нагрузку.
Выходное напряжение обратного преобразователя может быть выше или ниже входного напряжения и зависит от соотношения витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Другой важный источник питания с переключателем — это прямой преобразователь. Это другой ИИП изолированного типа, который вырабатывает управляемый и регулируемый постоянный ток из нерегулируемого источника постоянного тока.
Эффективность прямого преобразователя немного выше, чем у обратного преобразователя, и он часто используется в приложениях, где требования к мощности немного выше (обычно около 200 Вт). Конструкция прямых преобразователей немного сложнее, чем обратные преобразователи, и простая структура показана ниже.
Простая схема прямого преобразователя состоит из транзистора с быстрым переключением, схемы управления для управления рабочим циклом прямоугольной волны, обычного трансформатора, двух диодов для выпрямления переменного тока, катушки индуктивности и конденсатора для фильтрации.
На следующем изображении показана работа прямого преобразователя, когда транзистор включен. Когда импульс высокий, транзистор включается, и в результате первичная обмотка трансформатора начинает проводить.В результате во вторичной обмотке трансформатора индуцируется напряжение.
Полярность напряжения, индуцированного во вторичной обмотке, аналогична полярности первичной обмотки, и, следовательно, диод D1 смещается в прямом направлении. Напряжение от вторичной обмотки начнет течь через диод D1, катушку индуктивности, конденсатор и, наконец, нагрузку. В течение этого периода и индуктор, и конденсатор накапливают энергию в виде магнитного поля и электрического поля соответственно.
Когда импульс становится НИЗКИМ, транзистор выключается, и в результате первичная катушка перестает проводить.Это, в свою очередь, перестанет наводить ток во вторичной обмотке. Это внезапное изменение (или падение) тока приведет к возникновению противоэдс индуктора, и полярность его напряжения изменится на обратную.
Этот период работы прямого преобразователя показан на изображении ниже. Энергия в катушке индуктивности начинает коллапсировать в цепи через нагрузку и диод D2 (поскольку он смещен в прямом направлении). Как только энергия в катушке индуктивности заканчивается, конденсатор начинает разряжаться через нагрузку и действует как временный источник для нагрузки.Это продолжается до тех пор, пока транзистор снова не будет включен.
Выходное напряжение прямого преобразователя зависит от коэффициента трансформации трансформатора, а также от рабочего цикла широтно-импульсного модулятора. Выходное напряжение определяется как
VOUT = VIN x D x NS / NP
ТЕОРИЯ РАБОТЫ, СХЕМА, ПЛАТА ПЛАТЫ
СХЕМА:
Вот полная спецификация. Отметим, что он был составлен более десяти лет назад. Некоторые номера деталей могут потребовать замены.
СИЛОВОЙ ТРАНСФОРМАТОР | |
| Конструкция трансформатора может выглядеть необычно.Обратите внимание, что обратный трансформатор работает как индуктор: он накапливает энергию в магнитном поле в течение периода включения Q1. Затем он передает его (за вычетом потерь) во вторичные обмотки в течение периода выключения Q1. Для эффективного хранения энергии с минимальным физическим размером, немагнитный зазор необходим последовательно с материалом магнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью. В конструкции трансформатора с обратным ходом обычно используются ферритовые сердечники с физическим зазором или порошковые металлические сердечники с естественным распределенным зазором.Ферриты с зазором обычно имеют более низкие потери, но у них крутая кривая насыщения. Порошковые сердечники имеют более высокие потери, но их кривая B (H) мягкая. Среди других форм-факторов тороидальные трансформаторы имеют самую низкую индуктивность рассеяния. В данном БП трансформатор выполнен на порошковом тороидальном сердечнике KoolM. Правильная фазировка обмотки имеет решающее значение в обратноходовых преобразователях, как и во всех несимметричных преобразователях. | |
