- Конструктивні особливості та принцип роботи
- Як працює інвертор?
- Сильні і слабкі сторони імпульсних джерел
- Сфера використання
- Збираємо імпульсний БП своїми руками
Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
У більшості сучасних електронних пристроїв практично не використовуються аналогові (трансформаторні) блоки живлення, їм на зміну прийшли імпульсні перетворювачі напруги. Щоб зрозуміти, чому так сталося, необхідно розглянути конструктивні особливості, а також сильні і слабкі сторони цих пристроїв. Ми також розповімо про призначення основних компонентів імпульсних джерел, наведемо простий приклад реалізації, який може бути зібраний своїми руками.
Конструктивні особливості та принцип роботи
З декількох способів перетворення напруги для живлення електронних компонентів, можна виділити два, які отримали найбільше поширення:
- Аналоговий, основним елементом якого є понижуючий трансформатор, крім основної функції ще і забезпечує гальванічну розв'язку.
- Імпульсний принцип.
Розглянемо, чим відрізняються ці два варіанти.
БП на основі силового трансформатора
Розглянемо спрощену структурну схему даного пристрою. Як видно з малюнка, на вході встановлений понижуючий трансформатор, з його допомогою виробляється перетворення амплітуди напруги живлення, наприклад з 220 В отримуємо 15 В. Наступний блок - випрямляч, його завдання перетворити синусоїдальний струм в імпульсний (гармоніка показана над умовним зображенням). Для цієї мети використовуються випрямні напівпровідникові елементи (діоди), підключені по мостовій схемі. Їх принцип роботи можна знайти на нашому сайті.
Наступний блок грає виконує дві функції: згладжує напругу (для цієї мети використовується конденсатор відповідної ємності) і стабілізує його. Останнє необхідно, щоб напруга «Не провалювалося» при збільшенні навантаження.
Наведена структурна схема сильно спрощена, як правило, в джерелі даного типу є вхідний фільтр і захисні ланцюга, але для пояснення роботи пристрою це не принципово.
Всі недоліки наведеного варіанту прямо або побічно пов'язані з основним елементом конструкції - трансформатором. По-перше, його вага і габарити, обмежують мініатюризацію. Щоб не бути голослівним наведемо як приклад понижуючий трансформатор 220/12 В номінальною потужністю 250 Вт. Вага такого агрегату - близько 4-х кілограм, габарити 125х124х89 мм. Можете уявити, скільки б важила зарядка для ноутбука на його основі.
По-друге, ціна таких пристроїв часом багаторазово перевершує сумарну вартість інших компонентів.
імпульсні пристрої
Як видно з структурної схеми, наведеної на малюнку 3, принцип роботи даних пристроїв істотно відрізняється від аналогових перетворювачів, в першу чергу, відсутністю вхідного понижувального трансформатора.
Розглянемо алгоритм роботи такого джерела:
- Харчування надходить на мережевий фільтр, його завдання мінімізувати мережеві перешкоди, як входять, так і вихідні, що виникають внаслідок роботи.
- Далі вступає в роботу блок перетворення синусоїдального напруги в імпульсне постійне і згладжує фільтр.
- На наступному етапі до процесу підключається інвертор, його завдання пов'язана з формуванням прямокутних високочастотних сигналів. Зворотній зв'язок з інвертором здійснюється через блок управління.
- Наступний блок - ІТ, він необхідний для автоматичного генераторного режиму, подачі напруги на ланцюги, захисту, управління контролером, а також навантаження. Крім цього в завдання ІТ входить забезпечення гальванічної розв'язки між ланцюгами високої та низької напруги.
На відміну від понижувального трансформатора, сердечник цього пристрою виготовляється з феррімагнітних матеріалів, це сприяє надійної передачі ВЧ сигналів, які можуть бути в діапазоні 20-100 кГц. Характерна особливість ІТ полягає в тому, що при його підключенні критично включення початку і кінця обмоток. Невеликі розміри цього пристрою дозволяють виготовляти прилади мініатюрних розмірів, як приклад можна привести електронну обв'язку (баласт) світлодіодним або енергозберігаючої лампи.
- Далі вступає в роботу вихідний випрямляч, оскільки він працює з високочастотним напругою, для процесу необхідні швидкодіючі напівпровідникові елементи, тому для цієї мети застосовують діоди Шотткі.
- На завершальній фазі проводиться згладжування на вигідному фільтрі, після чого напруга подається на навантаження.
Тепер, як і обіцяли, розглянемо принцип роботи основного елемента даного пристрою - інвертора.
Як працює інвертор?
ВЧ модуляцію, можна зробити трьома способами:
- частотно-імпульсним;
- фазо-імпульсним;
- широтно-імпульсним.
На практиці застосовується останній варіант. Це пов'язано як з простотою виконання, так і тим, що у ШІМ незмінна комунікаційна частота, на відміну від двох інших способів модуляції. Структурна схема, що описує роботу контролера, показана нижче.
Алгоритм роботи пристрою наступний:
Генератор задає частоти формує серію прямокутних сигналів, частота яких відповідає опорної. На основі цього сигналу формується U П пилкоподібної форми, що надходить на вхід компаратора К ШІМ. До другого входу цього пристрою підводиться сигнал U УС, що надходить з регулюючого підсилювача. Сформований цим підсилювачем сигнал відповідає пропорційній різниці U П (опорна напруга) і U РС (регулюючий сигнал від ланцюга зворотного зв'язку). Тобто, керуючий сигнал U УС, по суті, напругою неузгодженості з рівнем, що залежать як від струму на навантаженні, так і напрузі на ній (U OUT).
Даний спосіб реалізації дозволяє організувати замкнутий ланцюг, яка дозволяє керувати напругою на виході, тобто, по суті, ми говоримо про лінійно-дискретному функціональному вузлі. На його виході формуються імпульси, з тривалістю, яка залежить від різниці між опорним і керуючим сигналом. На його основі створюється напруга, для управління ключовим транзистором інвертора.
Процес стабілізації напруги на виході виробляється шляхом відстеження його рівня, при його зміні пропорційно змінюється напруга регулює сигналу U РС, що призводить до збільшення або зменшення тривалості між імпульсами.
В результаті відбувається зміна потужності вторинних ланцюгів, завдяки чому забезпечується стабілізація напруги на виході.
Для забезпечення безпеки необхідна гальванічна розв'язка між живильною мережею і зворотним зв'язком. Як правило, для цієї мети використовуються оптрони.
Сильні і слабкі сторони імпульсних джерел
Якщо порівнювати аналогові і імпульсні пристрої однакової потужності, то у останніх будуть наступні переваги:
- Невеликі розміри і вага, за рахунок відсутності низькочастотного понижуючого трансформатора і керуючих елементів, що вимагають відводу тепла за допомогою великих радіаторів. Завдяки застосуванню технології перетворення високочастотних сигналів можна зменшити ємність конденсаторів, використовуваних в фільтрах, що дозволяє встановлювати елементи менших габаритів.
- Більш високий ККД, оскільки основні втрати викликають тільки перехідні процеси, в той час як в аналогових схем багато енергії постійно втрачається при електромагнітному перетворенні. Результат говорить сам за себе, збільшення ККД до 95-98%.
- Менша вартість за рахунок застосування мене потужних напівпровідникових елементів.
- Більш широкий діапазон вхідної напруги. Такий тип обладнання не вимогливий до частоти і амплітуди, отже, допускається підключення до різних за стандартом мереж.
- Наявність надійного захисту від КЗ, перевищення навантаження та інших позаштатних ситуацій.
До недоліків імпульсної технології слід віднести:
Наявність ВЧ перешкод, це є наслідком роботи високочастотного перетворювача. Такий фактор вимагає установки фільтра, переважної перешкоди. На жаль, його робота не завжди ефективна, що накладає деякі обмеження на застосування пристроїв даного типу в високоточної апаратури.
Особливі вимоги до навантаження, вона не повинна бути зниженою або підвищеною. Як тільки рівень струму перевищить верхній або нижній поріг, характеристики напруги на виході почнуть істотно відрізнятися від штатних. Як правило, виробники (останнім часом навіть китайські) передбачають такі ситуації і встановлюють в свої вироби відповідний захист.
Сфера використання
Практично вся сучасна електроніка живиться від блоків даного типу, як приклад можна привести:
- різні види зарядних пристроїв;
Зарядки і зовнішні БП - зовнішні блоки живлення;
- електронний баласт для освітлювальних приладів;
- БП моніторів, телевізорів та іншого електронного обладнання.
Збираємо імпульсний БП своїми руками
Розглянемо схему простого джерела живлення, де застосовується вищеописаний принцип роботи.
позначення:
- Резистори: R1 - 100 Ом, R2 - від 150 кОм до 300 кОм (підбирається), R3 - 1 кОм.
- Ємності: С1 і С2 - 0, 01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 - 0, 22 мкФ х 400 В, С5 - 6800 -15000 пФ (підбирається), 012 мкФ, С6 - 10 мкФ х 50 В, С7 - 220 мкФ х 25 В, С8 - 22 мкФ х 25 В.
- Діоди: VD1-4 - Кд258в, VD5 і VD7 - КД510А, VD6 - КС156А, VD8-11 - КД258А.
- Транзистор VT1 - KT872A.
- Стабілізатор напруги D1 - мікросхема КР142 з індексом ЕН5 - ЕН8 (в залежності від необхідного напруги на виході).
- Трансформатор Т1 - використовується феритовий сердечник ш-подібної форми розмірами 5х5. Первинна обмотка намотується 600 витків проводом Ø 0, 1 мм, вторинна (висновки 3-4) містить 44 витка Ø 0, 25 мм, і остання - 5 витків Ø 0, 1 мм.
- Запобіжник FU1 - 0.25А.
Налаштування зводиться до підбору номіналів R2 і С5, що забезпечують збудження генератора при вхідній напрузі 185-240 В.