В первичный момент запуска импульсного бп он находится в состоянии

Содержание

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;
или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;
надежностью в исполнении;
возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;
накопительная фильтрующая емкость;
ключевой силовой транзистор;
задающий генератор;
схема обратной связи, выполненная на транзисторах;
оптопара;
импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;
выпрямительные диоды выходной схемы;
цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;
фильтрующие конденсаторы;
силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;
выходные разъемы.

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Диагностика и ремонт импульсного блока питания.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

мостовой;
полумостовой;
со средней точкой.

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках 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%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;
слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Однофазный асинхронный двигатель: как устроен и работает
Как устроен и работает плазменный сварочный аппарат
Как устроены люстры с дистанционным управлением

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрические приборы и устройства

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Основные принципы работы импульсного блока питания.

Импульсные блоки питания (ИБП) на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах. Материал данной статьи поможет понять основные принципы работы и назначение основных компонентов ИБП. 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. Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением (Uпит, Rзащ , Cф).

ШИМ (широтно-импульсная модуляция) — это способ кодирования аналогового сигнала 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. При уменьшении длительности (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.

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 уровня, а содержимое регистра R-2 — длительность сигнала высокого уровня на выходе таймера (рис. 3).

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 (RC цепочку), 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 контролировать величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2 (рис. 1).

Принцип работы импульсного блока питания

На приведенной выше схеме тракт первичного напряжения находится до трансформатора, выполненного на ферритовом сердечнике, а во входной силовой цепи 220 В, установлен плавкий предохранитель. Далее по цепи установлен сглаживающий фильтр по питанию, который выполняет функцию снижения пульсаций выпрямленного напряжения.

За сглаживающим фильтром в цепи расположен выпрямитель переменного напряжения, собранного на четырех быстровосстанавливающихся диодах FR207, рассчитанного на максимальное постоянное обратное напряжение 1000 В и электролитического конденсатора. Данный импульсный блок питания, для исключения высоковольтных импульсов, имеет в своей схеме варистор VDR0, который установлен параллельно с входным конденсатором.

Защита, выполненная на варисторе работает таким образом: при возникновении предельного напряжения, сопротивление варистора моментально снижается. Следовательно, весь излишний ток проходит через варистор на предохранитель и сжигает его, тем самым разрывая силовую цепь.

Включенный параллельно выпрямительному мосту диод D0, также выполняет роль защитного элемента схемы в случае сгорания диодного моста. При возникновении не штатной ситуации, этот блокирующий диод закроет проход обратному напряжению в основной тракт схемы, так как в этом случае опять же сработает предохранитель.

Далее в цепи предусмотрен еще один варистор VDR1 с сопротивлением 4,3 Ом, который также выполняет функцию выравнивания бросков тока во время включения. Кроме этого он обеспечивает корректный заряд электролитического конденсатора С1.

Роль активных компонентов в первичном тракте ИИП выполняют следующие элементы. Полевой транзистор Q1 и ШИМ-контроллер. Транзистор 10N60 MOSFET конвертирует DC-напряжение 310v в переменное. Преобразование в переменное выполняется вторичной обмоткой трансформатора Т1, тем самым на выходе мы уже получаем пониженное напряжение.

Кроме этого, для подачи питания на ШИМ-контроллер берется выпрямленное напряжение, которое снимается с добавочного отвода обмотки трансформатора.

Импульсный блока питания — принцип работы вторичной цепи

В выходном тракте трансформатора обычно устанавливается или диодный мост, или один выпрямительный диод и сглаживающее пульсации устройство в виде CLC фильтра. Фильтр выполнен на электролитических конденсаторах и дросселе.

Чтобы обеспечить корректную стабилизацию напряжения на выходе, для этого применяется оптическая обратная связь. С ее помощью удается сделать гальваническое разделение входного и выходного напряжение. Для функции реализации обратной связи задействован оптоэлектронный прибор OC1 и микросхема регулируемого стабилизатора напряжения TL431.

В случае, когда напряжение на выходе, после того как оно уже выпрямлено, будет больше напряжения микросхемы TL431, то в этот момент включается фотодиод. В свою очередь фотодиод включает фототранзистор, который управляется драйвером ШИМ-контроллера. Регулятор напряжения TL431 уменьшает безразмерную величину импульсов либо совсем останавливается. До тех пор пока напряжение не уменьшится до номинального.

В статье речь об импульсных блоках питания (далее ИБП), которые сегодня получили самое широкое применение во всех современных радиоэлектронных устройствах и самоделках.
Основной принцип заложенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Герц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.
Преобразование осуществляется с помощью мощных транзисторов, работающих в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый – выполняется по схеме импульсного автогенератора и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).
Поскольку частота преобразователя обычно выбирается в среднем от 20 до 50 килогерц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно минимизируются, что является очень важным фактором для современной аппаратуры.
Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением смотрите ниже:

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 — схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – это широтно-импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и 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. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора T1 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 выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.
В ИБП используются 2 принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный способ называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:

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.
С цепью слежения я думаю, разобрались, теперь давайте рассмотрим такую ситуацию как короткое замыкание (КЗ) в нагрузке ИБП. В этом случае 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. В конце концов, это 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 вывод 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 или другими словами отключится.
В заключении темы хотелось бы более подробно описать преимущества ИБП. Как уже упоминалось, частота импульсного преобразователя достаточно высока, в связи с чем, габаритные размеры импульсного трансформатора уменьшены, а значит, как это не парадоксально звучит, стоимость ИБП меньше традиционного БП, так как меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается. Еще одним из достоинств ИБП является малая, по сравнению с обычным БП, емкость конденсатора фильтра вторичного выпрямителя. Уменьшение емкости стало возможным за счет увеличения частоты. И, наконец, КПД импульсного блока питания доходит до 85 %. Связано это с тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи.
К минусам можно отнести усложнение схемы ИБП и увеличение импульсных помех излучаемым самим ИБП. Увеличение помех связано с тем, что транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора. Это является недостатком любого транзистора работающего в ключевом режиме. Но если транзистор работает с малыми напряжениями (например, транзисторная логика с напряжением в 5 вольт) это не страшно, в нашем же случае напряжение, приложенное к коллектору транзистора, составляет, примерно 315 вольт. Для борьбы с этими помехами в ИБП используются более сложные схемы сетевых фильтров, чем в обычном БП.

Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

Из всего многообразия существующих источников электроэнергии, рассчитанных на получение на выходе постоянного напряжения, особо выделяются импульсные блоки питания (ИБП). Эти изделия пришли на смену уже устаревшим морально трансформаторным аналогам и широко используются практически во всех областях современной жизни.

Они устанавливаются в бытовых и профессиональных компьютерах, работают в качестве сервоприводов, а также применяются для питания декоративных элементов интерьера на основе светодиодных лент. В общем случае эти изделия инсталлируются в большинство современных систем, нуждающихся в источнике постоянного тока и т.п.

Структурная схема

Входной выпрямитель с сетевым фильтром.
Электронный инвертор.
Импульсный трансформатор.
Выходное выпрямительное устройство.
Управляющий модуль.

Перечисленные составляющие ИБП выполняют функции, определяемые алгоритмом работы всего устройства в целом.

Сетевой выпрямитель

На входе выпрямительного устройства имеется сетевой фильтр, необходимый для отсеивания мешающих работе прибора гармоник (очистка от помех). Благодаря ему на входные клеммы выпрямителя поступает напряжение, в спектре которого присутствует только одна частота – 50 Герц (идеальная синусоида).

В выпрямительном устройстве со сглаживающим фильтром синусоида 220 Вольт 50 Гц обрабатывается таким образом, чтобы из нее получился постоянный потенциал определенного уровня. Он поступает на следующий функциональный модуль, называемый инвертором.

Инвертор

Инверторное устройство, представляющее собой быстродействующий электронный коммутатор, обеспечивает получение на выходе импульсного сигнала прямоугольной формы. Особенность работы этого узла состоит в том, что в нем формируется переменное напряжение высокой частоты, выбираемой из диапазона 1-100 кГц.

При этом теоретически доказано, что с повышением частоты преобразования эффективность работы инвертора возрастает. Этот узел – самая ответственная часть импульсного источника питания, составляющая его основу.

Импульсный трансформатор

С электронного инвертора обрабатываемый сигнал поступает на импульсный высокочастотный трансформатор. Этот модуль выполняет те же функции, что и обычный линейный преобразователь. Но в данном случае он трансформирует импульсный высоковольтный сигнал до вида, удобного к последующей обработке. На его выходе получаются импульсы с меньшей амплитудой, но с большей величиной токовой составляющей.

Добиться этого удается за счет правила, действующего в электротехнике для всех трансформаторов. Оно звучит так: произведение тока на напряжение на входе и выходе устройства практически одинаковы (за исключением небольших потерь на нагрев отдельных деталей).

Выходной выпрямитель

Выпрямительное устройство на выходе импульсного трансформатора – узел, аналогичный уже рассмотренным ранее модулям подобного типа. Его основное назначение состоит в приведении импульсного сигнала, поступившего с трансформатора, к рабочему виду постоянного питающего напряжения. Включенный на выходе фильтрующий элемент «очищает» его от посторонних гармоник, то есть повышает качество получившегося питания.

Управляющий узел

Помимо преобразующих модулей и узлов, импульсные блоки питания содержат в своем составе элемент контроля за их работой. Блок управления ИБП координирует функционирование основных узлов, включая инвертор. Последний меняет режим своей работы в зависимости от качества выходного сигнала, подстраиваясь под заранее заданные настройки прибора.

Преимущества и недостатки

Импульсные блоки питания непосредственно связаны с самим фактом их прихода на смену устаревшим трансформаторным аналогам. Последние отличаются целым рядом существенных недостатков, включая низкий КПД, значительный вес и большие габариты.

К достоинствам ИБП традиционно относят:

Низкий уровень энергетических потерь (высокий КПД).
Сравнительно малый вес.
Небольшие габариты.
Возможность инсталляции в электронные системы, нуждающиеся в сторонних источниках электроэнергии.

Импульсные блоки питания отличаются аккуратным и привлекательным внешним видом, отдаленно напоминающим модный сегодня стиль «Hi Teac». Так оформлены ИБП, применяемые для работы со светодиодными лентами и другими линейными осветительными системами. Большинство преимуществ достигается за счет использования сложной электронной схемы преобразующего устройства, в котором вероятность поломки отдельных узлов резко возрастает. Это и определяет те недостатки, которые присущи всем ИБП.

Помимо сложности основных функциональных узлов, импульсные блоки питания имеют один специфический минус. Он проявляется в наличии на выходе импульсных помех, избавиться от которых не помогают даже специальные фильтры. Кроме того, в некоторых моделях попадаются трансформаторы, издающие неприятный писк на частотах порядка 1-5 кГц.

Устройство и принцип работы импульсного трансформатора

Действие импульсного трансформатора (ИТ) основано на применении двух смежных катушек с обмотками, связанными между собой общим магнитопроводом. Количество витков в каждой из них определяет передаточный коэффициент данного трансформаторного изделия. Для понимания принципа работы ИТ достаточно ознакомиться с последовательностью происходящих в нем электрических преобразований.

Это может быть представлено следующим образом:

На первичную или входную обмотку трансформатора поступают разнополярные импульсы обрабатываемого сигнала прямоугольной формы и определенной амплитуды.
Во вторичной обмотке они трансформируются в такие же по форме импульсы значительно меньшего размаха.
Выходной сигнал за счет потери в амплитуде передается в нагрузку с большей по величине мощностью.

Особенность работы ИТ состоит в том, что поступающие на первичную обмотку однополярные импульсы содержат постоянную токовую составляющую. В этом случае говорят, что его магнитопровод работает в режиме постоянного подмагничивания. Это позволяет перевести магнитную систему в линейную часть передаточной характеристики и резко снизить величину искажений выходного сигнала.

Нежелательные потери энергии

Явление непроизводительного расхода энергии характерно не только для устаревших блоков питания трансформаторного типа. Оно встречается и в импульсных схемных решениях, где для его устранения принимаются особые предупредительные меры.

Потери в этом случае складываются из следующих составляющих:

Гистерезис в магнитопроводах.
Эффект магнитной вязкости.
Плохое состояние изоляции.
Высокий уровень вихревых токов.

Для снижения непроизводительных потерь при расчете трансформатора стараются учесть каждую из перечисленных составляющих и свести ее к минимуму.

Кроме того, при изготовлении магнитопровода предпочтение отдается высоколегированным маркам стали, что позволяет снизить потери и скорректировать форму петли гистерезиса до близкой к прямоугольной. За счет этого удается получить высокие показатели индукции.

Для избавления от вихревых токов их стараются искусственно «разбить» на небольшие порции, что достигается за счет конструктивных ухищрений. А для снижения показателя вязкости выбирают материалы с возможно малой магнитной проницаемостью. Для поддержания параметров выходного напряжения в заданном техническими условиями диапазоне используется обратная связь, реализуемая посредством модуля управления на специальном контроллере.

Порядок выбора ИБП

Чтобы приобрести качественный блок питания импульсного типа – покупателю потребуется ознакомиться с основными правилами его выбора. Последние предусматривают учет следующих важных моментов, касающихся конструкции, внешнего вида и характеристик изделия:

Импульсные блоки питания должны выполнять функции, которые заложены в основу их схемного решения.
В них обязательно наличие опции фильтрации входного (сетевого) напряжения.
Изделия при работе не должны издавать неприятного свистящего звука, напоминающего писк комара.
Они должны легко инсталлироваться в устройства, для питания которого предназначены.

При покупке ИБП необходимо обратить внимание на наличие на его корпусе фирменной этикетки. На ней обязательно приводятся основные технические параметры данного образца с указанием предельных отклонений от нормируемых значений.

Схема импульсного блока питания

Импульсные блоки питания пользуются довольно большим спросом. На сегодня доля их применения в различных электронных устройствах составляет порядка 90%. Однако, для ремонта импульсных блоков питания необходимо понимать главные принципы схемотехники. Схему рядового импульсного блока питания выглядит следующим образом:

Первичная цепь импульсного блока питания

Первичная цепь схемы блока питания расположена до импульсного ферритового трансформатора.

На входе блока расположен предохранитель, после которого расположен фильтр CLC. Катушка, применяется, в том числе, и для подавления синфазных помех. После фильтра расположен выпрямитель на основе диодного моста и электролитического конденсатора. За предохранителем, параллельно входному конденсатору, расположен варистор, который используется для защиты от коротких высоковольтных импульсов. Сопротивление варистора резко падает при повышенном напряжении, поэтому весь избыточный ток идет через него в предохранитель, который сгорает, выключая входную цепь.

Защитный диод D0 необходим для защиты схемы блока питания, на случай поломки диодного моста. Диод не позволит пройти отрицательному напряжению в основную схему. Потому, что откроется и сгорит предохранитель.

За диодом стоит варистор на 4-5 ом для сглаживания резких скачков потребления тока в момент включения. А также для первоначальной зарядки конденсатора C1.

Используются следующие активные элементы первичной цепи: коммутационный транзистор Q1 и с ШИМ (широтно-импульсный модулятор) контроллер. Преобразование постоянного выпрямленного напряжения 310В в переменное происходит в транзисторе. Оно преобразуется трансформатором Т1 на вторичной обмотке в пониженное выходное.

Для питания ШИМ-регулятора применяется выпрямленное напряжение, снятое с дополнительной обмотки трансформатора.

Работа вторичной цепи импульсного блока питания

После трансформатора во выходной цепи расположен либо диодный мост, либо 1 диод и CLC фильтр, который состоит из электролитических конденсаторов и дросселя.

Для стабилизации выходного напряжения используется оптическая обратная связь, которая позволяет развязать выходное и входное напряжение гальванически. В качестве исполнительных элементов обратной связи используется оптопара OC1 и интегральный стабилизатор TL431. Если выходное напряжение после выпрямления превышает напряжение стабилизатора TL431 включается фотодиод. Он включает фототранзистор, управляющий драйвером ШИМ. Регулятор TL431 снижает скважность импульсов или вообще останавливается. Пока напряжение не снизится до порогового.

Ремонт импульсных блоков питания

Неисправности импульсных блоков питания, ремонт

Возможные неисправности схемы импульсного блока:

Если сгорел варистор и предохранитель на входе или VCR1, то ищем дальше. Потому, что они так просто не горят.
Сгорел диодный мост. Обычно это микросхема. Если есть защитный диод, то и он обычно горит. Нужна их замена.
Испорчен конденсатор C1 на 400В. Редко, но бывает. Часто его неисправность можно выявить по внешнему виду. Но не всегда. Иногда внешне исправный конденсатор оказывается плохим. Например, по внутреннему сопротивлению.
Если сгорел переключающий транзистор, то выпаиваем и проверяем его. При неисправности требуется замена.
Если не работает ШИМ регулятор, то меняем его.
Замыкание, а также обрыв обмоток трансформатора. Шансы на починку минимальны.
Исключительным случаем может быть неисправность оптопары.
Неисправность стабилизатора TL431. Для диагностики замеряем сопротивление.
Если КЗ в конденсаторах на выходе блока питания, то выпаиваем и диагностируем тестером.

Примеры ремонта импульсных блоков питания

Для примера можно рассмотреть ремонт импульсного блока питания на несколько напряжений.

Неисправность заключается в отсутствии блока выходных напряжений на выходе.

Например, в одном блоке питания оказались неисправны два конденсатора 1 и 2 в первичной цепи. Но они не были вздутыми.

На втором не работал ШИМ контроллер.

На вид все конденсаторы на снимке рабочие, но внутреннее сопротивление у них большое. Более того, внутреннее сопротивление ESR конденсатора 2 в кружке оказалось в несколько раз выше номинального. Этот конденсатор стоит в цепи обвязки ШИМ регулятора, поэтому регулятор не работал. Работоспособность блока питания восстановилась только после замены этого конденсатора. Потому что ШИМ заработал.

Ремонт компьютерных блоков питания

Пример ремонта блока питания компьютера. В ремонт поступил дорогой блок питания на 800 Вт. При его включении выбивало защитный автомат.

Выяснилось, что короткое замыкание вызывал сгоревший транзистор в первичной цепи питания. Цена ремонта составила порядка 3000 руб.

Можно сделать соответствующий вывод, что имеет смысл чинить только качественные дорогие компьютерные блоки питания, так как ремонт БП может оказаться дороже нового.

Блоки с установленными микросхемами DA3

Данная микросхема позволяет устанавливать не только регулятор, но и котроллер, который следит за колебаниями в сети. Сопротивление транзисторы в устройстве способны выдерживать примерно 3 Ом. Мощный импульсный блок питания DA3 с нагрузкой в 4 А справляется. Подсоединять вентиляторы для охлаждения выпрямителей можно. В результате устройства можно использовать при любой температуре. Еще одно преимущество заключается в наличии трех фильтров.

Два из них устанавливаются на входе под конденсаторами. Один фильтр разделительного типа имеется на выходе и стабилизирует напряжение, которое исходит от резистора. Диодов в стандартной схеме можно встретить не более двух. Однако многое зависит от производителя, и это следует учитывать. Основной проблемой блоков питания данного типа считается то, что они не способны справляться с низкочастотными помехами. В результате устанавливать их на измерительные приборы нецелесообразно.

Как работает блок на диодах VD1?

Данные блоки рассчитаны на поддержку до трех устройств. Регуляторы в них имеются трехсторонние. Кабели для связи устанавливаются только немодульные. Таким образом, преобразование тока происходит быстро. Выпрямители во многих моделях устанавливаются серии ККТ2.

Отличаются они тем, что энергию от конденсатора способны передавать на обмотку. В результате нагрузка от фильтров частично снимается. Производительность у таких устройств довольно высокая. При температурах свыше 50 градусов они также могут использоваться.