Превключващо захранващо захранване: принцип на работа, схеми

• Конструктивни характеристики и принцип на работа
• Как работи инверторът?
• Силни и слаби страни на импулсните източници
• Обхват на приложение
• Събираме импулсно захранване със собствените си ръце

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Повечето съвременни електронни устройства практически не използват аналогови (трансформаторни) захранвания, те са заменени от импулсни преобразуватели на напрежение. За да се разбере защо се е случило това, е необходимо да се разгледат характеристиките на дизайна, както и силните и слабите страни на тези устройства. Ще разкажем и за целта на основните компоненти на импулсните източници, ще дадем прост пример за реализация, който може да бъде сглобен на ръка.

Конструктивни характеристики и принцип на работа

От няколкото начина за преобразуване на напрежението за захранване на електронни компоненти, могат да се изтъкнат две, които са най-разпространени:

1. Аналог, чийто основен елемент е понижаващ трансформатор, в допълнение към основната функция, осигуряващ и галванична изолация.
2. Импулсен принцип.

Помислете за разликата между тези две възможности.

BP на базата на силовия трансформатор

Помислете за опростена блокова схема на това устройство. Както може да се види от фигурата, на входа е инсталиран понижаващ трансформатор, който преобразува амплитудата на захранващото напрежение, например от 220 V получаваме 15 V. Следващият блок е изправител, чиято задача е да преобразува синусоидалния ток в импулс (хармонично е показано над конвенционалното изображение). За тази цел се използват полупроводникови токоизправителни елементи (диоди), свързани чрез мостова верига. Принципът им на действие може да бъде намерен на нашия уебсайт.

Следващият блок изпълнява две функции: изглажда напрежението (за тази цел се използва кондензатор на съответния капацитет) и го стабилизира. Последното е необходимо, така че напрежението да не “изпадне” с нарастващ товар.

Дадената блокова диаграма е значително опростена, като правило в източника на този тип има входен филтър и защитни вериги, но за обяснение на работата на устройството това не е съществено.

Всички недостатъци на горния вариант са пряко или косвено свързани с основния елемент на конструкцията - трансформатора. Първо, неговото тегло и размери ограничават миниатюризацията. За да не бъдат необосновани, даваме за пример понижаващ трансформатор 220/12 V с номинална мощност от 250 вата. Теглото на такава единица е около 4 килограма, с размери 125x124x89 mm. Можете да си представите колко ще тежи таксуването за лаптоп на базата на него.

Второ, цената на такива устройства понякога надвишава многократно общата стойност на останалите компоненти.

Импулсни устройства

Както може да се види от блоковата диаграма, показана на фигура 3, принципът на действие на тези устройства се различава значително от аналоговите преобразуватели, на първо място, от липсата на входен понижаващ трансформатор.

Разгледайте алгоритъма на източника:

• Захранващото напрежение се подава към защитата от пренапрежение, чиято задача е да минимизира мрежовите смущения, както входящи, така и изходящи, произтичащи от операцията.
• След това се задейства единица за преобразуване на синусоидално напрежение в импулсен постоянен и изглаждащ филтър.
• На следващия етап инверторът е свързан с процеса, неговата задача е свързана с образуването на правоъгълни високочестотни сигнали. Обратна връзка от инвертора през блока за управление.
• Следващият блок е IT, той е необходим за автоматичен режим на генериране, подаване на напрежение към веригата, защита, управление на контролера, както и натоварването. Освен това IT задачата е да осигури електрическа изолация между вериги с високо и ниско напрежение.

За разлика от понижаващия се трансформатор, сърцевината на това устройство е направена от феримагнитни материали, което допринася за надеждното предаване на радиочестотни сигнали, които могат да бъдат в обхвата от 20-100 kHz. Характерна особеност на ИТ е, че когато е свързан, включването на началото и края на намотките е критично. Малките размери на това устройство позволяват производството на миниатюрни устройства, например електронни тръби (баласт) на LED или енергоспестяващи лампи.

• След това изходният изправител влиза в експлоатация, тъй като работи с високочестотно напрежение, процесът изисква високоскоростни полупроводникови елементи, затова се използват диоди на Шотки.
• На завършената фаза се извършва изглаждане на благоприятен филтър, след което се прилага напрежението към товара.

Сега, както е обещано, ние считаме, че принципът на работа на основния елемент на това устройство - на инвертора.

Как работи инверторът?

RF модулацията може да се извърши по три начина:

• честота на пулса;
• фазов импулс;
• широчина на импулса.

На практика последното се прилага. Това се дължи както на простотата на изпълнение, така и на факта, че PWM честотата на комуникационната честота е постоянна, за разлика от другите два метода на модулация. По-долу е показана блоковата схема, описваща работата на контролера.

Алгоритъмът на устройството е както следва:

Генераторът на главна честота образува поредица от правоъгълни сигнали, чиято честота съответства на еталонната. На базата на този сигнал се оформя U-образна форма на трион, която се подава към компаратора K _PWM . На втория вход на това устройство се подава сигнал U _US, идващ от контролния усилвател. Сигналът, генериран от този усилвател, е пропорционален на разликата U _U (референтно напрежение) и U _RS (регулиращ сигнал от веригата за обратна връзка). Това означава, че контролният сигнал U _US, всъщност, е напрежението на грешката с ниво, което зависи както от тока на товара, така и от напрежението на него (U _OUT ).

Този метод на изпълнение ви позволява да организирате затворена верига, която ви позволява да контролирате изходното напрежение, т.е. всъщност става дума за линейно-дискретен функционален възел. На неговия изход се формират импулси с продължителност в зависимост от разликата между еталонните и управляващите сигнали. На негова основа се създава напрежение за управление на транзистора на инверторния ключ.

Процесът на стабилизиране на напрежението на изхода се осъществява чрез проследяване на неговото ниво, когато се променя, напрежението на регулиращия сигнал U _{RS се} променя пропорционално, което води до увеличаване или намаляване на продължителността между импулсите.

В резултат на това има промяна в мощността на вторичните вериги, като по този начин се стабилизира напрежението на изхода.

За да се гарантира безопасността, е необходима галванична изолация между захранващата мрежа и обратната връзка. Обикновено за тази цел се използват оптрони.

Силни и слаби страни на импулсните източници

Ако сравним аналоговите и импулсните устройства със същата мощност, последните ще имат следните предимства:

• Малкият размер и тегло се дължи на липсата на нискочестотен понижаващ трансформатор и контролни елементи, които изискват отвеждане на топлината с големи радиатори. Чрез използването на технология за преобразуване на високочестотни сигнали е възможно да се намали капацитета на използваните в филтрите кондензатори, което прави възможно монтирането на елементи с по-малки размери.
• По-висока ефективност, тъй като основните загуби причиняват само преходни процеси, докато в аналогови вериги много енергия се губи постоянно по време на електромагнитно преобразуване. Резултатът говори сам за себе си - увеличаване на ефективността до 95-98%.
• По-ниска цена поради използването на по-малко мощни полупроводникови елементи.
• По-широк диапазон на входното напрежение. Този тип оборудване не изисква честота и амплитуда, следователно е позволено да се свързва към различни стандартни мрежи.
• Наличието на надеждна защита от късо съединение, претоварване и други необичайни ситуации.

Недостатъците на пулсиращата технология включват:

Наличието на радиочестотни смущения е следствие от работата на високочестотния преобразувател. Този фактор изисква инсталирането на филтър, който потиска смущенията. За съжаление, неговата работа не винаги е ефективна, което налага някои ограничения върху използването на устройства от този тип при високоточно оборудване.

Специалните изисквания за товара не трябва да се намаляват или увеличават. Веднага щом текущото ниво надвиши горния или долния праг, характеристиките на напрежението на изхода ще започнат да се различават значително от обикновените. Като правило производителите (напоследък дори китайски) предвиждат такива ситуации и създават подходяща защита в своите продукти.

Обхват на приложение

Почти цялата съвременна електроника се захранва от блокове от този тип, например

• различни видове зарядни устройства;

  

• външни захранващи устройства;
• Електронен баласт за осветителни уреди;
• BP монитори, телевизори и друго електронно оборудване.

Събираме импулсно захранване със собствените си ръце

Разгледайте схемата на прост източник на енергия, където се прилага описаният по-горе принцип на работа.

Легенда:

• Резистори: R1 - 100 Ohm, R2 - от 150 kΩ до 300 kΩ (избрани), R3 - 1 kΩ.
• Капацитети: C1 и C2 - 0.01 μF x 630 V, C3 -22 μF x 450 V, C4 - 0.22 μF x 400 V, C5 - 6800 -15000 pF (избрано), 012 μF, C6 - 10 μF x 50 V, C7 - 220 микрофарад х 25 V, C8 - 22 микрофарад х 25 V.
• Диоди: VD1-4 - КД258В, VD5 и VD7 - КД510А, VD6 - КС156А, VD8-11 - КД258А.
• Транзистор VT1 - KT872A.
• Стабилизатор на напрежение D1 - KR142 микросхема с индекс ЕН5 - ЕН8 (в зависимост от желаното изходно напрежение).
• Използва се трансформатор Т1 - феритна сърцевина 5x5 с W-образна форма. Първичната намотка се навива на 600 оборота с проводник Ø 0.1 mm, вторичният (клеми 3-4) съдържа 44 завоя с Ø 0.25 mm, а последният - 5 завъртания с Ø 0.1 mm.
• Предпазител FU1 - 0.25A.

Настройката се свежда до избора на номинални стойности на R2 и C5, които осигуряват възбуждане на генератора при входно напрежение 185-240 V.

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!