Импульсный трансформатор принцип работы для чайников. Импульсный блок питания - основные принципы работы ИБП. Схемотехника импульсных блоков питания.

Импульсный трансформатор принцип работы для чайников. Импульсный блок питания - основные принципы работы ИБП. Схемотехника импульсных блоков питания.

Сфера применения импульсных блоков питания в быту постоянно расширяется. Такие источники применяются для питания всей современной бытовой и компьютерной аппаратуры, для реализации источников бесперебойного электропитания, зарядных устройств для аккумуляторов различного назначения, реализации низковольтных систем освещения и для других нужд.

Как упоминалось ранее, полупроводники в линейном питании могут эффективно формировать большое сопротивление, которое рассеивает тепло, а линейные поставки включают громоздкие компоненты, которые делают питание физически большим. Для небольших бытовых приборов тепло не может быть проблемой, но могут быть большие размеры и вес компонентов. Сотовые телефоны и ноутбуки, как мы их знаем, не будут возможны с линейными источниками питания.

Переключатель выключен, практически не имеет тока или полностью включен, с небольшим сопротивлением. Чрезвычайно быстрые времена нарастания и спада квадратной волны делают эти переходы кратковременными. Кроме того, как мы увидим, изолирующий трансформатор работает на частоте коммутации, поэтому он может быть меньше по сравнению с трансформатором силовой линии 60 Гц, который является неотъемлемой частью линейного источника питания.

В некоторых случаях покупка готового источника питания мало приемлема с экономической или технической точки зрения и сборка импульсного источника собственными руками является оптимальным выходом из такой ситуации. Упрощает такой вариант и широкая доступность современной элементной базы по низким ценам.

Наиболее востребованными в быту являются импульсные источники с питанием от стандартной сети переменного тока и мощным низковольтным выходом. Структурная схема такого источника показана на рисунке.

Недавние инновации позволили использовать его в мощных приложениях. Кроме того, электронный шум, создаваемый процессом переключения, может распространяться как излучение от устройства. Это связано с тем, что прямоугольная волна с ее близким мгновенным временем нарастания и спада напоминает высокочастотный источник энергии, богатый разрушающими гармониками.

Другой потенциальной проблемой, вызванной гармониками, является нагрев нейтрального проводника в источнике питания. Решение заключается в увеличении размера этого провода. Он работает, изменяя соотношение между временем и временем выключения. Этот метод является решающим шагом вперед по линейному источнику питания, где выходное напряжение должно рассеиваться в полупроводнике.

Сетевой выпрямитель СВ преобразует переменное напряжение питающей сети в постоянное и осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения на выходе. Высокочастотный преобразователь ВЧП осуществляет преобразование выпрямленного напряжения в переменное или однополярное , имеющее форму прямоугольных импульсов необходимой амплитуды.

Что же это за ИИП такое?!

Измеряемый через коммутатор, пиковое напряжение может превышать напряжение постоянного тока, измеренное на входе. Более высокое напряжение возникает, потому что индуктор создает индуцированное напряжение в ответ на изменения тока. Это напряжение добавляется к напряжению источника постоянного тока в течение периода времени, когда переключатель разомкнут. Дальнейшее уточнение заключается в добавлении диода и конденсатора к коммутатору. Пиковое напряжение будет храниться в конденсаторе в виде электрического заряда.

В дальнейшем такое напряжение либо непосредственно, либо после выпрямления (ВН) поступает на сглаживающий фильтр, к выходу которого подключается нагрузка. Управление ВЧП осуществляется системой управления, получающей сигнал обратной связи от выпрямителя нагрузки.

Такая структура устройства может быть подвергнута критике из-за наличия нескольких звеньев преобразования, что снижает КПД источника. Однако, при верном выборе полупроводниковых элементов и качественном расчете и изготовлении моточных узлов, уровень потерь мощности в схеме мал, что позволяет получать реальные значения КПД выше 90%.

В этот момент конденсатор становится источником постоянного тока, а общее выходное напряжение становится больше, чем постоянное напряжение на входе. Это режим переключения, эквивалентный усилительному трансформатору в линейном питании. Еще одно изменение режима переключения - это повышающий преобразователь, который изменяет полярность выхода по отношению к входу. Другая реализация - это схема байпаса, которая повышает средний выходной ток, а цена - более низкое выходное напряжение.

Выходной ток всегда зависит от входной мощности. Но с многочисленными топологиями схем и различными способами управления коммутатором, такими как широтно-импульсная модуляция, существуют бесконечные комбинации. Таким образом, существует гораздо более крутая кривая обучения по сравнению с линейным источником питания.

Принципиальные схемы импульсных блоков питания

Решения структурных блоков включают не только обоснование выбора вариантов схемной реализации, но и практические рекомендации по выбору основных элементов.

Для выпрямления сетевого однофазного напряжения используют одну из трех классических схем изображенных на рисунке:

Как работает импульсный блок питания?

Аналогично, компоненты в питании могут работать примерно на 100 В в одном состоянии и на милливольтах в другом. Такой большой динамический диапазон может создать проблему для восьмиразрядных оцифрованных областей, общих для лабораторий электроники. Первым шагом является определение напряжения на коммутационном устройстве во время выключения и включения. Напряжение на коммутационном устройстве имеет высокий динамический диапазон. Напряжение на коммутационном устройстве во время включения зависит от типа переключающего устройства.

  • однополупериодную;
  • нулевую (двухполупериодную со средней точкой);
  • двхполупериодную мостовую.

Каждой из них присущи достоинства и недостатки, которые определяют область применения.

Отключение напряжения зависит от рабочего входного напряжения и топологии питания. Во время включенного состояния напряжение на одном и том же терминале может составлять от нескольких милливольт до примерно одного вольта. При этой настройке многие области применения будут принимать напряжения до 1 кВ.

В качестве альтернативы, если измеренное напряжение находится в пределах чувствительности к области, прикладное программное обеспечение может использовать полученные данные для своих вычислений, а не значения, введенные вручную. Задача требует двух отдельных зондов: высоковольтного дифференциального зонда и токового зонда. Каждый из этих зондов имеет разную задержку распространения. Разница в этих двух задержках известна. Как перекос, приводит к неточным измерениям времени и искажениям в отображаемых силовых сигналах.

Однополупериодная схема отличается простотой реализации и минимальным количеством полупроводниковых компонентов. Основными недостатками такого выпрямителя являются значительная величина пульсации выходного напряжения (в выпрямленном присутствует лишь одна полуволна сетевого напряжения) и малый коэффициент выпрямления.

Задержки распространения зонда могут влиять на максимальные измерения пиковой мощности просто потому, что мощность является продуктом напряжения и тока. Если две умноженные переменные не идеально согласованы по времени, результат будет неправильным. К счастью, есть способы скорректировать показания зонда, чтобы точность измерений, таких как потери при переключении, не пострадали. Некоторое программное обеспечение для измерения мощности автоматически искажает датчики. Здесь программное обеспечение управляет осциллографом и регулирует задержку между каналами напряжения и тока с помощью сигналов живого тока и напряжения.

Коэффициент выпрямления Кв определяется соотношением среднего значения напряжения на выходе выпрямителя Udк действующему значению фазного сетевого напряжения .

Для однополупериодной схемы Кв=0.45.

Для сглаживания пульсации на выходе такого выпрямителя требуются мощные фильтры.

Нулевая, или двухполупериодная схема со средней точкой , хоть и требует удвоенного числа выпрямительных диодов, однако, этот недостаток в значительной мере компенсируется более низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и ростом величины коэффициента выпрямления до 0.9.

Также доступна статическая функция перекоса. Эта функция использует тот факт, что определенные датчики напряжения и тока имеют постоянные и повторяемые задержки распространения. Встроенная таблица времени распространения для выбранных зондов позволяет статической функции перекоса автоматически регулировать задержку между выбранными каналами напряжения и тока.

Дифференциальные и токовые датчики могут иметь небольшие смещения, которые необходимо удалить перед проведением измерений. У некоторых датчиков есть встроенный автоматизированный метод удаления смещения. Другие датчики требуют ручной коррекции смещения. Большинство дифференциальных датчиков напряжения имеют встроенные регуляторы смещения постоянного тока, что делает смещение относительно простым.

Основным недостатком такой схемы для использования в бытовых условиях является необходимость организации средней точки сетевого напряжения, что подразумевает наличие сетевого трансформатора. Его габариты и масса оказываются несовместимыми с идеей малогабаритного самодельного импульсного источника.

Двухполупериодная мостовая схема выпрямления имеет те же показатели по уровню пульсации и коэффициенту выпрямления, что и нулевая схема,но не требует наличия сетевого . Это компенсирует и главный недостаток – удвоенное количество выпрямительных диодов как с точки зрения КПД, так и по стоимости.

Расчет частоты импульсов блока питания

Точно так же датчики тока нуждаются в настройке перед проведением измерений. Дифференциальные и токовые датчики являются активными устройствами, и всегда будет присутствовать низкий уровень шума даже в состоянии покоя. Этот шум может деградировать измерения, которые зависят от данных формы напряжения и тока. Следовательно, некоторое программное обеспечение для измерения мощности включает в себя функции кондиционирования сигналов, которые минимизируют влияние присущего шума зонда.

Наконец, есть весь фактор фактора мощности, который является заботой диспетчера объекта, а также полезности. Линейный источник питания обычно имеет низкий коэффициент мощности. Эту проблему можно смягчить с помощью хорошо продуманной коррекции коэффициента мощности.

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения наилучшим решением является использование емкостного фильтра. Его применение позволяет поднять величину выпрямленного напряжения до амплитудного значения сетевого (при Uф=220В Uфм=314В). Недостатками такого фильтра принято считать большие величины импульсных токов выпрямительных элементов, но критичным этот недостаток не является.

Однако его гораздо более сложная задача требует опыта, который выходит за рамки простой электроники. Цепь электропитания играет важную роль в каждом электричестве и обеспечивает электроэнергию цепи совы или нагрузкам, подобным машинам, компьютерам и т.д. эти разные нагрузки требуют различных форм мощности в различных диапазонах и характеристиках. Таким образом, мощность преобразуется в желаемую форму с использованием разных силовых преобразователей.




Ниже описывается работа топологий источника питания с коммутационным режимом. И затем он подается на понижающий трансформаторный блок частотой 50 Гц.


Если рабочий цикл равен 50%, тогда максимальная мощность передается через трансформатор, и если рабочий цикл падает, то мощность в трансформаторе также падает за счет уменьшения рассеиваемой мощности.

Выбор диодов выпрямителя осуществляется по величине среднего прямого тока Ia и максимального обратного напряжения U BM .

Приняв величину коэффициента пульсации выходного напряжения Кп=10%, получим среднее значение выпрямленного напряжения Ud=300В. С учетом мощности нагрузки и КПД ВЧ преобразователя (для расчета принимается 80%, но на практике получится выше, это позволит получить некоторый запас).

Как работает импульсный блок питания

Это связано с тем, что вокруг пиков напряжения выпрямитель потребляет короткие импульсы тока, имеющие значительно высокочастотную энергию, которая влияет на коэффициент мощности для уменьшения.




Изоляция напряжения может быть достигнута с помощью трансформатора.

Трансформатор обратного хода показывает разнородные характеристики по сравнению с обычным трансформатором. Трансформатор обратного хода включает в себя две обмотки, которые действуют как индуктор с магнитным соединением. По сравнению с обратным преобразователем муфты, схема фильтрации и выпрямления сложна.

Ia – средний ток диода выпрямителя, Рн- мощность нагрузки, η – КПД ВЧ преобразователя.

Максимальное обратное напряжение выпрямительного элемента не превышает амплитудного значения напряжения сети (314В), что позволяет использовать компоненты с величиной U BM =400В со значительным запасом. Использовать можно как дискретные диоды, так и готовые выпрямительные мосты от различных производителей.

Введение в источники питания с коммутационным режимом



Поэтому на вторичной обмотке трансформатора создается масштабированное напряжение. Он регулярно используется для различных применений с диапазоном мощности от 100 Вт до 200 Вт. Преобразование напряжения должно быть универсальным, эффективным и надежным процессом.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Эффективность линейного регулятора напрямую связана с мощностью, падающей через его транзитный транзистор. Например, при переходе на нагрузку 100 мА от батареи 6 В до выхода 8 В, 18 Вт падает через линейный регулятор. Это падение мощности дает низкий КПД на 50%, что снижает срок службы батареи на 50%.

Для обеспечения заданной (10%) пульсации на выходе выпрямителя емкость конденсаторов фильтра принимается из расчета 1мкФ на 1Вт выходной мощности. Используются электролитические конденсаторы с максимальным напряжением не менее 350В. Емкости фильтров для различных мощностей приведены в таблице.


Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Это преимущество приравнивается к снижению требований к тепловому управлению. Кроме того, что более важно, срок службы увеличивается из-за повышения надежности, поскольку компоненты не подвергаются чрезмерному нагреву, так как они будут в менее эффективной системе.

Энергия, хранящаяся в индукторе во время фазы зарядки, переносится на выходную нагрузку и конденсатор во время фазы разряда. Конденсатор поддерживает нагрузку, когда индуктор заряжается и поддерживает выходное напряжение. Этот циклический перенос энергии между элементами схемы поддерживает выходное напряжение при надлежащем значении в соответствии с его топологией.

Высокочастотный преобразователь: его функции и схемы

Высокочастотный преобразователь представляет собой однотактный или двухтактный ключевой преобразователь (инвертор) с импульсным трансформатором. Варианты схем ВЧ преобразователей приведены на рисунке.


Однотактная схема . При минимальном количестве силовых элементов и простоте реализации имеет несколько недостатков.

  1. Трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
  2. Для обеспечения мощности на выходе необходимо получить значительную амплитуду импульсного тока, протекающего через полупроводниковый ключ.

Схема нашла наибольшее применение в маломощных устройствах, где влияние указанных недостатков не столь значительно.

Чтобы самостоятельно поменять или установить новый счетчик, не требуется особых навыков. Выбор правильной обеспечит корректный учет потребляемого тока и повысит безопасность домашней электросети.

В современных условиях обеспечения освещения как внутри помещений, так и на улице все чаще используют датчики движения. Это придает не только комфорт и удобства в наши жилища, но и позволяет существенно экономить. Узнать практические советы по выбору места установки, схем подключения можно .

Двухтактная схема со средней точкой трансформатора (пушпульная) . Получила свое второе название от английского варианта (push-pull) описания работы. Схема свободна от недостатков однотактного варианта, но имеет собственные – усложненная конструкция трансформатора (требуется изготовление идентичных секций первичной обмотки) и повышенные требования к максимальному напряжению ключей. В остальном решение заслуживает внимания и широко применяется в импульсных источниках питания, изготавливаемых своими руками и не только.

Двухтактная полумостовая схема . По параметрам схема аналогична схеме со средней точкой, но не требует сложной конфигурации обмоток трансформатора. Собственным недостатком схемы является необходимость организации средней точки фильтра выпрямителя, что влечет четырехкратное увеличение количества конденсаторов.

Благодаря простоте реализации схема наиболее широко используется в импульсных источниках питания мощностью до 3 кВт. При больших мощностях стоимость конденсаторов фильтра становится неприемлемо высокой по сравнению с полупроводниковыми ключами инвертора и наиболее выгодной оказывается мостовая схема.

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

Выбор ключей инвертора осуществляется по амплитуде тока коллектора (стока) I КМАХ и максимальному напряжению коллектор-эмиттер U КЭМАХ. Для расчета используются мощность нагрузки и коэффициент трансформации импульсного трансформатора.

Однако, прежде необходимо рассчитать сам трансформатор. Импульсный трансформатор выполняется на сердечнике из феррита, пермаллоя или витого в кольцо трансформаторного железа. Для мощностей до единиц кВт вполне подойдут ферритовые сердечники кольцевого или Ш-образного типа. Расчет трансформатора ведется исходя из требуемой мощности и частоты преобразования. Для исключения появления акустического шума частоту преобразования желательно вынести за пределы звукового диапазона (сделать выше 20 кГц).

При этом необходимо помнить, что при частотах близких к 100 кГц значительно возрастают потери в ферритовых магнитопроводах. Сам расчет трансформатора не составляет труда и легко может быть найден в литературе. Некоторые результаты для различных мощностей источников и магнитопроводов приведены в таблице ниже.

Расчет произведен для частоты преобразования 50 кГц. Стоит обратить внимание, что при работе на высокой частоте имеет место эффект вытеснения тока к поверхности проводника, что приводит к снижению эффективной площади обмотки. Для предотвращения подобного рода неприятностей и снижения потерь в проводниках необходимо выполнять обмотку из нескольких жил меньшего сечения. При частоте 50 кГц допустимый диаметр провода обмотки не превышает 0.85 мм.


Зная мощность нагрузки и коэффициент трансформации можно рассчитать ток в первичной обмотке трансформатора и максимальный ток коллектора силового ключа. Напряжение на транзисторе в закрытом состоянии выбирается выше, чем выпрямленное напряжение, поступающее на вход ВЧ-преобразователя с некоторым запасом (U КЭМАХ >=400В). По этим данным производится выбор ключей. В настоящее время наилучшим вариантом является использование силовых транзисторов IGBT или MOSFET.

Для диодов выпрямителя на вторичной стороне необходимо соблюдать одно правило – их максимальная рабочая частота должна превышать частоту преобразования. В противном случае КПД выходного выпрямителя и преобразователя в целом значительно снизятся.

Видео о изготовлении простейшего импульсного питающего устройства

Один из самых важных блоков персонального компьютера - это, конечно, импульсный блок питания. Для более удобного изучения работы блока есть смысл рассматривать каждый его узел по отдельности, особенно, если учесть, что все узлы импульсных блоков питания различных фирм практически одинаковые и выполняют одни и те же функции. Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока 110/230 вольт и частотой 50 - 60 герц. Импортные блоки на частоту 60 герц прекрасно работают и в отечественных сетях.

Основной принцип работы импульсных блоков питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до нужных значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания, можно разделить на несколько узлов, которые производят определённые электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

    Сетевой выпрямитель. Выпрямляет переменное напряжение электросети (110/230 вольт).

    Высокочастотный преобразователь (Инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное от выпрямителя в высокочастотное напряжение прямоугольной формы. К высокочастотному преобразователю отнесём и силовой понижающий импульсный трансформатор. Он понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, требуемых для питания электронных узлов компьютера.

    Узел управления. Является "мозгом" блока питания. Отвечает за генерацию импульсов управления мощным инвертором, а также контролирует правильную работу блока питания (стабилизация выходных напряжений, защита от короткого замыкания на выходе и пр.).

    Промежуточный каскад усиления. Служит для усиления сигналов от микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).

    Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление - преобразование переменного низковольного напряжения в постоянное. Здесь же происходит стабилизация и фильтрация выпрямленного напряжения.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, начиная от простейшего зарядника для сотового телефона и заканчивая мощными сварочными инверторами. Отличия заключаются лишь в элементной базе и схемотехнической реализации устройства.

Довольно упрощённо структуру и взаимосвязь электронных узлов компьютерного блока питания (формат AT) можно изобразить следующим образом.


О всех этих частях схемы будет рассказано в дальнейшем.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания по отдельным узлам. Начнём с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель.

Отсюда, собственно, и начинается блок питания. С сетевого шнура и вилки. Вилка используется, естественно, по «евростандарту» с третьим заземляющим контактом.


Следует обратить внимание, что многие недобросовестные производители в целях экономии не ставят конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и дроссель фильтра L1. То есть посадочные места есть, и печатные дорожки тоже, а деталей нет. Ну, вот прям как здесь.


Как говорится: "No comment ".

Во время ремонта желательно довести фильтр до нужной кондиции. Резисторы R1, R4, R5 выполняют функцию разрядников для конденсаторов фильтра после того как блок отключен от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду тока заряда конденсаторов С4 и С5, а варистор R3 защищает блок питания от бросков сетевого напряжения.

Стоит особо рассказать о выключателе S1 ("230/115" ). При замыкании данного выключателя, блок питания способен работать от сети с напряжением 110...127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме с удвоением напряжения и на его выходе напряжение вдвое больше сетевого.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220...230 вольт, то выключатель S1 размыкают. В таком случае выпрямитель работает по классической схеме диодный мост . При такой схеме включения удвоения напряжения не происходит, да это и не нужно, так как блок работает от сети 220 вольт.

В некоторых блоках питания выключатель S1 отсутствует. В других же его располагают на тыльной стенке корпуса и помечают предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить блок питания в сеть 220 вольт, то это кончится плачевно. За счёт удвоения напряжения на выходе оно достигнет величины около 500 вольт, что приведёт к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит внимательнее относиться к выключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, то его можно вообще выпаять из схемы.

Вообще все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными на родные 220 вольт. Выключатель S1 либо отсутствует, либо переключен на работу в сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующий каскад составляет порядка 300 вольт.

Можно повысить надёжность блока питания небольшой модернизацией. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы стоит подобрать на классификационное напряжение 180...220 вольт. Такое решение сможет уберечь блок питания при случайном замыкании выключателя S1 и включении блока в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничат напряжение, а плакий предохранитель FU1 перегорит. При этом после несложного ремонта блок питания можно вернуть в строй.

Конденсаторы С1, С3 и двухобмоточный дроссель на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр способный защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть по сети и одновременно этот фильтр защищает сеть от помех, создаваемых компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра.

Характерные неисправности выпрямителя, это выход из строя одного из диодов "моста" (редко), хотя бывают случаи, когда выгорает весь диодный мост, или утечка электролитических конденсаторов (гораздо чаще). Внешне это характеризуется вздутием корпуса и утечкой электролита. Подтёки очень хорошо заметны. При пробое хотя бы одного из диодов выпрямительного моста, как правило, перегорает плавкий предохранитель FU1.

При ремонте цепей сетевого выпрямителя и фильтра имейте в виду то, что эти цепи находятся под высоким напряжением, опасным для жизни ! Соблюдайте технику электробезопасности и не забывайте принудительно разряжать высоковольные электролитические конденсаторы фильтра перед проведением работ!



top