Импульсные блоки питания (ИБП) на сегодняшний день получили самое широкое распространение и используются во всех современных радиоэлектронных устройствах. В основе работы любого ИБП заложен один и тот же основной принцип, который заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (220В, 50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.
Преобразование переменного напряжения в импульсное высокочастотное напряжение прямоугольной формы осуществляется с помощью импульсного трансформатора и мощного транзистора, работающего в режиме ключа в цепи первичной обмотки импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта построения преобразователей:
- по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров);
- по схеме с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).
Обычно частота преобразователя выбирается от 18 до 50 кГц, поэтому импульсный трансформатор и весь блока питания достаточно компактны, что является важным параметром для современной радиоэлектронной аппаратуры. На рис. 1. показан пример упрощенной схемы импульсного преобразователя с внешним управлением.
Рис. 1 (Uпит ; Rзащ ; Cф).
Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение.
При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо – это схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ-контроллер.
ШИМ (широтно–импульсная модуляция) - это способ кодирования аналогового сигналa путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. На рис. 2 представлены типичные графики ШИМ-сигнала (А, Б, В). Так как при ШИМ частота импульсов, а значит, и период (T), остаются неизменными, то при уменьшении ширины импульса (t) увеличивается пауза между импульсами (см. вариант "Б" на рис. 2.) и наоборот: при расширении импульса пауза сужается (вариант "В" на рис. 2.).
Рис. 2. Зависимость напряжения от скважности ШИМ-сигнала (больше длительность импульсов (t) – больше постоянное выходное напряжение).
Режим ШИМ. Широтно-импульсная модуляция (рис. 3) заключается в генерировании сигнала с программируемыми частотой и коэффициентом заполнения. Для этого, например, необходимо загрузить в регистры сравнения R-1 и R-2 значения, равные количеству машинных циклов, в течение которых сигнал на выходе таймера равен «0» и «1» соответственно. Таким образом, содержимое регистра R-1 определяет длительность сигнала НИЗКОГО, а содержимое регистра R-2 — длительность сигнала ВЫСОКОГО уровня на выходе таймера.
Рис. 3. Пример формирования ШИМ-сигнала.
Сначала счетчик инициализируется значением 0000h. Затем содержимое счетчика инкрементируется до тех пор, пока не станет равным содержимому регистра R-1. В этот момент генерируется прерывание (если оно разрешено), изменяется уровень на выходе таймера, а в счетчик вновь записывается значение 0000h. Во втором цикле содержимое счетчика инкрементируется до тех пор, пока не станет равным содержимому регистра R-2. В этот момент генерируется прерывание (если оно разрешено), изменяется уровень на выходе таймера, а в счетчик вновь записывается значение 0000h. Описанный процесс постоянно повторяется с поочередным использованием регистров R-1 и R-2. Значения, записанные в регистрах R-1 и R-2, определяют коэффициент заполнения и период, а следовательно, и частоту выходного сигнала. Если в регистрах R-1 и R-2 записано одно и то же число, на выходном контакте таймера будет присутствовать сигнал меандра, имеющий коэффициент заполнения, равный 50%. Если в момент записи в регистр R-1 значение таймера больше, чем записываемое, а на выходе таймера НИЗКИЙ уровень (т.е. таймер считает до совпадения с R-1), то таймер досчитает до FFFFh и затем до нового значения R-1, сохраняя на выходе НИЗКИЙ уровень. Аналогичная ситуация будет и при обновлении R-2, только на выходе таймера сохранится ВЫСОКИЙ уровень.
Если сигнал ШИМ пропустить через фильтр низших частот (RCцепочку), то уровень постоянного напряжения на выходе фильтра будет определяться скважностью импульсов ШИМ. Назначение фильтра - не пропускать несущую частоту ШИМ. Сам фильтр может состоять из простейшей интегрирующей RC цепи, или же может отсутствовать вовсе, например, если оконечная нагрузка имеет достаточную инерцию. Таким образом, имея в расположении лишь два логических уровня, "единицу" и "ноль", можно получить любое промежуточное значение аналогового сигнала.
В состав ШИМ-контроллера входят следующие схемы:
- задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя),
- схемы защиты,
- схемы контроля,
- логическая схема, которая управляет длительностью импульса.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ-контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2.
В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения:
- непосредственный;
- косвенный.
1. Непосредственный принцип реализации цепей слежения (напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя). Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 (рис. 1) приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на контакте 1 ШИМ- контроллера (см. рис. 1). Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ-контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м контакте не будет соответствовать заданным параметрам.
При уменьшении напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 – процесс обратный - до тех пор, пока напряжение на 1-м контакте не будет соответствовать заданным параметрам.
2. Косвенный принцип слежения (напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора, см. рис. 4).
Рис. 4
Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.
Схемы защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке ИБП. В случае КЗ вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ-контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток, а это в конце концов, приведет к выходу из строя этого транзистора.
В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на контакт 2 ШИМ-контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты (иначе говоря отключится).
К недостаткам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение уровня импульсных помех излучаемым. Для борьбы с помехами в ИБП используются более сложные и более дорогие (чем в обычном БП) схемы сетевых фильтров.
Версия сайта для слабовидящих