В современной электронной технике чаще приходится встречаться с двумя видами источников питания: импульсные блоки питания и линейные блоки питания. Лидирующее положение занимают импульсные блоки питания (ИБП). Линейные блоки питания имеют много полезных свойств таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, превосходные значения нестабильности по напряжению и току, быстрое время восстановления. Главным недостатком является невысокая эффективность, невысокий КПД.
ИБП широко применяются из-за высокого КПД, малых габаритов и массы, высокой удельной мощности. Все перечисленные свойства ИБП получили благодаря применению ключевого режима работы силовых элементов. Малую массу и габариты ИБП получили, прежде всего за счет исключения из схемы мощного низкочастотного силового трансформатора работающего на частоте 50 Гц. Вместо понижающего трансформатора используется высокочастотный трансформатор, работающий на частоте несколько десятков кГц., что позволяет уменьшить объем и массу электромагнитных элементов по сравнению с эквивалентными линейными источниками, тем самым повысить удельные объемно-массовые показатели.
К недостаткам ИБП относятся такие характеристики как сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличение пульсаций выходного напряжения, большое время выхода на рабочий режим.
При сравнении характеристик, можно сказать, что КПД импульсных источников питания увеличивается по сравнению с источником с понижающим трансформатором в отношении 2:1, удельная мощность увеличивается в 5 раз. Существенным недостатком ИБП является большое количество электронных компонентов, и как правило восстанавливать эти блоки приходится чаще. Во время проведения ремонта и локализации неисправности важное значение имеет наличие опыта и понимание происходящих процессов во время нормальной работы. без этих знаний полноценный ремонт невозможен. Существует несколько основных вариантов построения ИБП.
Обобщенная структурная схема ИБП представлена на рис 1, она состоит из:
- входного помехоподавляющего фильтра;
- сетевого выпрямителя;
- сглаживающего емкостного делителя;
- ключевого транзисторного преобразователя;
- импульсного силового трансформатора;
- вторичных выпрямителей;
- выходных помехоподавляющих фильтров;
- схемы управления.
Рис.1. Обобщенная структурная схема ИБП.
Для получения постоянных выходных напряжений в ИБП осуществляется тройное преобразование напряжения.
Сетевое напряжение выпрямляется и сглаживается. Выпрямленное постоянное напряжение +310 В преобразуется в импульсное прямоугольное с частотой несколько десятков кГц. Импульсное напряжение трансформируется с соответствующим коэффициентом трансформации на вторичную сторону.
Важным узлом схемы является ключевой преобразователь. Он может быть построен на одном (однотактная схема) или двух транзисторах (двухтактная схема). В ИБП применяются три способа регулирования:
- широтно-импульсный (ШИМ), при котором частота остается постоянной, изменяется время нахождения транзистора в режиме насыщения;
- частотно-импульсный (ЧИМ), постоянно время нахождения транзистора в режиме насыщения транзистора, непостоянно время коммутации (частота);
- двухпозиционные, при котором и период, и время нахождения транзистора в режиме насыщения изменяется.
ИБП построенные на основе однотактных и двухтакных преобразователей подразделяются на регулируемые и нерегулируемые. В преобразователях вход и выход могут быть гальванически связаны и развязаны через трансформатор.
Однотактные преобразователи с гальванической связьюшироко используются в качестве импульсных стабилизаторов и регуляторов напряжения и тока. В зависимости от построения силовой части эти схемы можно разделить на схемы:
- с последовательным включением дросселям и регулирующего транзистора ;
- дросселя с параллельным включением транзистора;
- транзистора с параллельным включением дросселя.
Схема с последовательным включением дросселя работает следующим образом. Если ключ замкнут, то к индуктивности прикладывается напряжение, которое вызывает появление линейно нарастающего тока. Когда ключ разомкнут, ток индуктивности продолжает протекать в том же направлении теперь уже через ограничивающий диод. Выходной конденсатор сглаживает возникающие пилообразные пульсации. Схема управления управляет транзистором так, что бы на выходе было постоянное стабилизированное напряжение.
При включении транзистора параллельно и в состоянии когда он замкнут, ток в индуктивности нарастает, а при размыкании ключа напряжение на коллекторе транзистора возрастает. Диод открывается и индуктивность "накачивает" ток в конденсатор. Выходное напряжение больше входного.
В схемах с параллельным включением дросселя (инвертирующие схемы), при замыкании ключа через индуктивность к земле протекает линейно нарастающий ток. Если ключ разомкнут ток протекает в индуктивность через сглаживающий конденсатор. На выходе будет отрицательное напряжение. Инвертирующий стабилизатор может быть.
Однотактные регулируемые транзисторные преобразователи находят широкое применение в самостоятельных источниках электропитания с выходной мощностью до нескольких сотен ватт. Силовая часть преобразователя может сроится по прямоходовой схеме с прямым включением диода и размагничивающей обмоткой, и обратноходовые с обратным включением диода.
Двухтактные регулируемые преобразователи широко применяются в самостоятельных источниках электропитания в вычислительной и бытовой электротехнике. Регулирование выходного напряжения и тока осуществляется с помощью ШИМ. Силовая часть выполняется по схеме со средней точкой первичной обмотки трансформатора, мостовой и полумостовой схемам.
Преобразователи с выводом средней точки первичной обмотки трансформатора применяются при пониженном входном напряжении. Ключевые транзисторы переключаются в противофазе. На выходе усилителя мощности ставится двухполупериодный выпрямитель.
В преобразователя мостового типа одновременно открыты два транзистора. Полумостовая схема содержит емкостной делитель. Напряжение на конденсаторах равно половине напряжения питания. Достоинством схемы является отсутствия подмагничивания сердечника трансформатора.
Двухтактные преобразователи с самовозбуждением применяются в источниках питания с небольшой выходной мощностью, до несколько десятков ватт. Транзисторы преобразователя работают в режиме переключения, поочередно подключая к верхней и нижней половинам первичной обмотки трансформатора постоянное напряжение, обеспечивая периодическое изменение тока в первичной обмотке. Трансформатор выполняется на сердечнике из материала с прямоугольной петлей гистерезиса.
Один из недостатков импульсных преобразователей энергии это то, что они являются источником высокочастотных помех, проникающих в первичную сеть переменного тока. Это, в свою очередь, может приводить к нестабильной работе другого оборудования, подключенного к той же фазе первичной сети, что и импульсный источник. В связи с этим, абсолютно любой блок питания должен иметь в своем составе входные помехоподавляющие цепи, обеспечивающие его защиту от помех из первичной сети, а также защиту первичной сети от высокочастотных помех импульсного источника. Кроме того, эти цепи могут выполнять функции по защите от высоких напряжений и больших токов.
В современной схемотехнике во многих блоках питания по сетевому входу включается также варистор или динистор. Варистор - это нелинейный элемент, сопротивление которого зависит от приложенного к нему напряжения. Поэтому, пока сетевое напряжение не выходит за пределы допустимого, сопротивление варистора велико (десятки МОм), и он не влияет на работу схемы. При перенапряжении в сети варистор резко уменьшает свое сопротивление, и возросшим током через него выжигается плавкий предохранитель. Остальные элементы блока питания при этом остаются целыми. Сам варистор при этом обычно выходит из строя, что очень легко заметить - он чернеет, на окружающих его элементах - копоть и обычно варистор раскалывается. Достаточно часто для защиты источника питания от работы при повышенных напряжениях сети используется зенеровский диод, обозначаемый на схемах ZNR. Принцип работы его практически не отличается, т.е. если к нему прикладывается напряжение выше уровня его пробивного напряжения, то он “пробивается” и также выжигает плавкий предохранитель.
Маркировка варистора или зенеровского диода является достаточно простой. На корпусе тремя цифрами указывается номинал пробивного напряжения. Например, число 301 соответствует пробивному напряжению 300В (30 x 101), число 271 – напряжению 270В (27 x 101) и т.д.
В случае неисправного варистора или зенеровского диода установка нового предохранителя и повторное включение источника питания опять приводит к перегоранию предохранителя. Замену варистора или диода желательно производить на аналогичное изделие. Установка прибора с меньшим пробивным напряжением часто приводит его “пробою” при включении источника питания, т.к. именно в момент включения наблюдается большой скачок напряжения. Если установить прибор с большим значением пробивного напряжения, то в момент включения он не будет выходить из строя, однако и защищать источник питания он буде хуже. Возможен и такой способ решения проблемы, как полное удаление варистора (зенеровского диода) из схемы. Источник питания при этом будет запускаться без проблем, и предохранитель будет оставаться целым, однако, как, наверное, всем понятно, защита от повышенного напряжения сети будет отсутствовать. Такой способ решения проблемы стоит применять только в том случае, если вы уверены в хорошем качестве питающего напряжения и нет возможности найти аналогичную замену неисправному прибору.
Однотактные источники питания (рис. 2) являются наиболее часто применяемыми на современном этапе развития электроники. Область применения этих устройств необычайно широка: мониторы, телевизоры, принтеры лазерные, струйные и матричные, копировальные аппараты, видеомагнитофоны и факсы и т.д и т. п. Достаточно часто однотактные источники используются в качестве источников питания для системных блоков ПК, потеснив в этом сегменте двухтактные источники.
Рис. 2.
Переменное напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором большой емкости, являющимся фильтром выпрямленного напряжения. В результате на выходе выпрямителя формируется постоянное напряжение номиналом около +300 В. Это напряжение подается на схему пуска, которая вырабатывает питающее напряжение для схемы управления сразу же после включения блока питания. На выходе схемы управления вырабатывается управляющее напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой несколько десятков кГц. Эти импульсы управляют состоянием мощного высокочастотного ключевого транзистора, то есть открывают и закрывают его. Нагрузкой этого транзистора является первичная обмотка импульсного высокочастотного трансформатора. В результате переключения транзисторного ключа, в первичной и во всех вторичных обмотках трансформатора наводятся импульсные ЭДС прямоугольной формы, которые затем выпрямляются и сглаживаются однополупериодными выпрямителями (вторичные выпрямители). Когда силовой транзистор открыт, выходное напряжение сетевого выпрямителя прикладывается к первичной обмотке трансформатора и через нее протекает ток, нарастающий по экспоненциальному закону (причем на начальном этапе экспоненты нарастание тока идет практически по линейному закону). В это время в трансформаторе происходит накопление магнитной энергии. Когда же транзистор закрыт, ток через первичную обмотку не протекает, а течет во вторичной обмотке, т.е. накопленная магнитная энергия передается в нагрузку.
Для защиты ключевого транзистора в состав источника питания обычно вводится схема токовой защиты, которая должна закрыть транзистор в том случае, если ток через него превысит допустимое значение.
В рабочем режиме схема управления потребляет значительный ток, который не может быть обеспечен схемой запуска. Поэтому питающее напряжение в этом случае формируется специальной цепью питания в рабочем режиме. Это напряжение создается за счет выпрямления импульсов ЭДС, создаваемых в одной из вторичных обмоток импульсного трансформатора.
Стабилизация выходных напряжений осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Сигнал обратной связи, по которому осуществляется стабилизация, обычно снимается с канала одного из выходных напряжений. Сигнал обратной связи подается на схему управления через элемент гальванической развязки.
Количество вторичных выпрямителей и количество выходных каналов источника питания определяется разработчиком устройства. Обычно каждому выходному напряжению соответствует своя вторичная обмотка и вторичный выпрямитель.
Особенностями однотактного преобразователя можно считать использование одного ключевого транзистора и протекание тока через первичную обмотку импульсного трансформатора только в одном направлении.
Однотактный преобразователь может быть выполнен по одной из двух схем:
- прямоходовой преобразователь;
- обратноходовой преобразователь.
В прямоходовых преобразователях ток подзарядки накопительных емкостей вторичных выпрямителей (ток через диоды выпрямителей) протекает во время открытого состояния ключевого транзистора, а в обратноходовых - во время закрытого состояния.
При небольших значениях мощности более эффективными являются обратноходовые преобразователи, которые помимо прочего, реализуются меньшим количеством радиоэлементов.
Как упоминалось ранее, стабилизация выходных напряжений осуществляется по методу ШИМ, то есть изменением соотношения открытого и закрытого состояний ключевого транзистора. Моменты переключения ключевого транзистора определяются управляющим транзистором. Регулировка соотношений включенного и выключенного состояний управляющего транзистора осуществляется изменением уровня постоянной составляющей на базе этого транзистора. Увеличение постоянной составляющей приводит к уменьшению выходных напряжений источника питания, а уменьшение постоянной составляющей, наоборот, к увеличению выходных напряжений. Таким образом, изменяя значение постоянной составляющей можно обеспечить стабилизацию выходных напряжений источника питания. Для формирования сигнала стабилизации используется схема стабилизации, имеющая узел сравнения.
Версия сайта для слабовидящих