fon1

Принцип работы импульсного блока питания.

Существуют блоки питания (БП) линейные и импульсные.
Линейный БП состоит из силового трансформатора, выпрямителя и стабилизатора. Главным недостатком линейного БП - это наличие низкочастотного силового трансформатора с тяжелым и массивным железным сердечником и сетевой обмоткой с большим числом витков.
Это следствие того, что работать силовой трансформатор вынужден на частоте электросети 50 Гц. Уже при повышении частоты сети до 400 Гц (на некоторых промышленных предприятиях, на оборонных объектах) его массо-габиритные параметры резко снижаются. К тому же, при увеличении частоты будет увеличена и частота пульсаций выпрямленного напряжения, а значит и для эффективного сглаживания потребуется конденсатор куда меньшей емкости.
Теперь понятно, что если мы хотим компактный, легкий и мощный БП, то нужно каким-то образом повысить частоту, на которой будет работать трансформатор. Ну и если уж повышать её, то не до 400 Гц, а уж сразу лучше до нескольких десятков или сотен кГц. Однако, повысить частоту сети непосредственно практически сложно. Куда легче вообще отказаться от переменного тока, - взять и сразу же выпрямить ток, поступающий из розетки, а затем уже из него с помощью генератора сделать переменный ток любой частоты.
На рисунке 1 показана упрощенная схема импульсного блока питания.
impuls BP1 Ток от электросети частотой 50 Гц поступает на диодный мост VD1, выпрямляется, сглаживается конденсатором С1 и на выходе получаем около 300V, которым питается высокочастотный импульсный генератор ШИМ (ШИМ - это аббревиатура названия: "широко - импульсная модуляция"). Через первичную обмотку 1 подается питание на мощный выходной транзистор VТ1, который выполняет роль усилителя и ключа подачи импульсов в трансформатор.
Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы в несколько десятков кГц и подаются на базу VТ1. Транзистор открывается и через него и обмотку 1 пойдет нарастающий импульсный ток. На вторичной обмотке 2 наводится ЭДС самоиндукции и на выходе диода VD2 появится положительное напряжение.
Трансформатор импульсного блока питания работает на частоте значительно выше сетевых 50 Гц и поэтому он имеет малое сходство с привычным силовым трансформатором. Он компактный с ферритовым сердечником и обмотками с небольшим числом витков. И при мощности в сотню ватт весит не более 100 граммов.
Если будем увеличивать длительность импульсов приложенных к базе VТ1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, - будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульсов, поступающих на базу VT1, можно изменять напряжение вторичной обмотки Т1 и, следовательно, осуществлять стабилизацию на выходе импульсного блока питания. Для этого нужно устройство, которое будет каким-то образом измерять напряжение на выходе вторичной обмотки и регулировать соответствующим образом ширину импульсов, поступающих на базу VT1. В качестве такого устройства используется ШИМ контроллер.

В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов, схема защиты и контроля, логическая схема, которая и управляет длительностью импульсов, поступающих на базу выходного транзистора.
Для стабилизации выходного напряжения импульсного блока питания, контроллер «должен знать» его величину при любом его изменении. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи) и она может быть выполнена самыми разными способами.
Если нет необходимости в гальванической развязки от сети, то питание с выходного выпрямителя (как показано на рис. 1) непосредственно подается на вход слежения (или на вход компаратора) генератора ШИМ (или ШИМ - контроллера). Если же необходима развязка, то, как промежуточное звено, может быть использована оптопара. Такой способ слежения называется непосредственным. Однако, существует и косвенный метод слежения (рис.2).
impuls BP2 Суть косвенного метода слежения в том, что для измерения выходных параметров импульсного блока питания используется дополнительная обмотка 3 трансформатора с выпрямителем на выходе. Так как все обмотки взаимосвязаны, то эта дополнительная обмотка 3 и работает как некий датчик выходных параметров импульсного блока питания.
Практически, ШИМ-контроллер работает таким образом: он изменяет широту импульсов, подаваемых на базу транзистора таким образом, чтобы на его контрольном входе всегда было одно и то же напряжение. Так что регулировать выходное напряжение можно не только изменяя числа витков обмоток, но и с помощью делителя в контрольной цепи, например, переменным резистором R3 (рис.2). Меняя напряжение на контрольном входе контроллера он изменяет широту импульсов так, чтобы это напряжение на его контрольном входе восстановить.
Со стабилизацией все понятно. Теперь вопрос о защите от перегрузки импульсного блока питания. Ведь при превышении тока через транзистор он может выйти из строя.
impuls BP3 Обычно используют датчики тока, представляющие собой мощный резистор, включенный в эмиттерную цепь транзистора. При прохождении тока через VT1 и R1 (рис.3) на резисторе создается падение напряжения, которое подается на вход защиты от КЗ ШИМ-контролера. Если оно на резисторе превышает некоторую величину, то контроллер выключает генератор и на базу транзистора не подается сигнал и транзистор не включается.

После знакомства с работой импульсного блока питания можно расширить перечень его преимуществ перед линейными блоками питания.
Кроме уменьшения веса трансформатора и конденсаторов у импульсных блоков будет выше КПД. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований. При импульсном питании наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.
Также, благодаря использованию полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается встраивать малогабаритные защиты от перегрузки, выходные стабилизаторы и др.

Но кроме преимуществ импульсные блоки питания имеют и недостатки. Вот основные:
первый - высокочастотные помехи. Так как импульсные блоки питания работают по принципу преобразования ВЧ импульсов и они излучают помехи для точной цифровой аппаратуры, которые не всегда можно подавить;
второй - импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо выходные параметры могут не укладываться в допустимые отклонения.

РК 2013/10

<< Предыдущая Cледующая >>

Вверх

radionet