Биполярное питание что это

Блок питания

Простой настольный блок питания общего назначения, используемый в электронных лабораториях, с выходным разъемом питания, видимым в нижнем левом углу, и входным разъемом питания (не показано), расположенный сзади

A . Источник питания представляет собой электрическое устройство, которое подает электроэнергию на электрическую нагрузку. Основная функция источника питания — преобразовывать электрический ток от источника в правильное напряжение, ток и частоту для питания. Загрузка. В результате источники питания иногда называют преобразователями электроэнергии. Некоторые источники питания представляют собой отдельные автономные части оборудования, а другие встроены в устройства нагрузки, которые они питают. Примеры последних включают источники питания, используемые в настольных компьютерах и устройствах бытовой электроники. Другие функции, которые могут выполнять источники питания, включают ограничение тока, потребляемого нагрузкой, до безопасных уровней, отключение тока в случае электрической неисправности, регулирование мощности для предотвращения электронного шума или скачки напряжения на входе от достижения нагрузки, коррекция коэффициента мощности и накопление энергии, чтобы он мог продолжать питать нагрузку в случае временного прерывания источника питания ( источник бесперебойного питания ).

Все источники питания имеют входное соединение питания, которое получает энергию в виде электрического тока от источника, и одно или несколько выходных соединений питания, которые подают ток на нагрузку. Источником питания может быть электрическая сеть, например электрическая розетка, устройства хранения энергии, такие как батареи или топливные элементы, генераторы или генераторы, преобразователи солнечной энергии или другой источник питания. Вход и выход обычно представляют собой проводные соединения цепи, хотя некоторые источники питания используют беспроводную передачу энергии для питания своих нагрузок без проводных соединений. Некоторые источники питания также имеют другие типы входов и выходов для таких функций, как внешний мониторинг и управление.

Общая классификация

Регулируемый регулируемый источник питания постоянного тока для монтажа в стойку

Функциональный

Источники питания классифицируются по разным категориям, в том числе по функциональным характеристикам. Например, регулируемый источник питания — это источник, который поддерживает постоянное выходное напряжение или ток, несмотря на изменения тока нагрузки или входного напряжения. И наоборот, выход нерегулируемого источника питания может значительно измениться при изменении его входного напряжения или тока нагрузки. Регулируемые источники питания позволяют программировать выходное напряжение или ток с помощью механических элементов управления (например, регуляторов на передней панели источника питания), либо с помощью входа управления, либо и тем, и другим. Регулируемый регулируемый источник питания — это регулируемый и регулируемый источник питания. Изолированный источник питания имеет выходную мощность, которая электрически не зависит от входной мощности; это отличается от других источников питания, которые имеют общее соединение между входом и выходом питания.

Упаковка

Настольный электронный блок питания

Блоки питания упаковываются по-разному и соответственно классифицируются. Настольный источник питания — это автономный настольный блок, используемый в таких приложениях, как тестирование и разработка схем. Источники питания с открытой рамой имеют только частичный механический корпус, иногда состоящий только из монтажного основания; они обычно встроены в машины или другое оборудование. Монтаж в стойку Блоки питания предназначены для крепления в стандартные стойки для электронного оборудования. Интегрированный источник питания — это тот, который использует общую печатную плату со своей нагрузкой. Внешний источник питания, адаптер переменного тока или блок питания — это источник питания, расположенный в шнуре питания переменного тока нагрузки, который подключается к розетке; Настенная бородавка — это внешний источник питания, интегрированный с самой розеткой. Они популярны в бытовой электронике из-за их безопасности; опасный основной ток 120 или 240 вольт преобразуется в более безопасное напряжение перед тем, как попасть в корпус прибора.

Метод преобразования мощности

Источники питания можно условно разделить на линейные и переключаемые. Линейные преобразователи мощности обрабатывают входную мощность напрямую, при этом все компоненты преобразования активной мощности работают в своих линейных рабочих областях. В импульсных преобразователях мощности входная мощность преобразуется в импульсы переменного или постоянного тока перед обработкой компонентами, которые работают преимущественно в нелинейных режимах (например, транзисторы, которые проводят большую часть своего времени в режиме отсечки или насыщения). Мощность «теряется» (преобразуется в тепло), когда компоненты работают в линейных областях, и, следовательно, переключающие преобразователи обычно более эффективны, чем линейные преобразователи, поскольку их компоненты проводят меньше времени в линейных рабочих областях.

Типы

Источник питания постоянного тока

Источник питания постоянного тока — это источник постоянного напряжения, который подает на нагрузку постоянное напряжение. В зависимости от конструкции источник питания постоянного тока может питаться от источника постоянного тока или от источника переменного тока, например от сети.

Источник переменного тока в постоянный

Схема базового источника питания переменного тока в постоянный, с изображением (от LR) трансформатора, двухполупериодного мостового выпрямителя, фильтрующего конденсатора и резисторной нагрузки

Источники питания постоянного тока использовать переменный ток электросети в качестве источника энергии. В таких источниках питания будет использоваться трансформатор для преобразования входного напряжения в более высокое или более низкое напряжение переменного тока. выпрямитель используется для преобразования выходного напряжения трансформатора в переменное постоянное напряжение, которое, в свою очередь, пропускается через электронный фильтр для преобразования его в нерегулируемое постоянное напряжение.

Фильтр устраняет большую часть, но не все колебания напряжения переменного тока; оставшееся напряжение переменного тока называется пульсацией. Допустимое отклонение электрической нагрузки от пульсаций определяет минимальную степень фильтрации, которую должен обеспечивать источник питания. В некоторых приложениях допускается высокая пульсация, поэтому фильтрация не требуется. Например, в некоторых приложениях для зарядки аккумуляторов можно реализовать источник постоянного тока с питанием от сети, состоящий только из трансформатора и одного выпрямительного диода, с резистором, включенным последовательно с выходом для ограничения зарядного тока.

Импульсный источник питания

В импульсном источнике питания (SMPS) вход сети переменного тока напрямую выпрямляется, а затем фильтруется для получения постоянного напряжения. Результирующее постоянное напряжение затем включается и выключается на высокой частоте с помощью электронной коммутационной схемы, создавая, таким образом, переменный ток, который проходит через высокочастотный трансформатор или катушку индуктивности . Переключение происходит на очень высокой частоте (обычно 10 кГц — 1 МГц), что позволяет использовать трансформаторы и фильтрующие конденсаторы, которые намного меньше, легче и дешевле, чем те, которые используются в линейных источниках питания, работающих на частота сети. После вторичной обмотки индуктивности или трансформатора высокочастотный переменный ток выпрямляется и фильтруется для получения выходного напряжения постоянного тока. Если в SMPS используется достаточно изолированный высокочастотный трансформатор, выход будет электрически изолирован от сети; эта функция часто важна для безопасности.

Импульсные источники питания обычно регулируются, и для поддержания постоянного выходного напряжения в источнике питания используется контроллер обратной связи, который отслеживает ток, потребляемый нагрузкой. Рабочий цикл переключения увеличивается по мере увеличения требований к выходной мощности.

SMPS часто включают в себя функции безопасности, такие как ограничение тока или схему лома, чтобы защитить устройство и пользователя от повреждений. В случае обнаружения аномального сильноточного потребления энергии импульсный источник питания может предположить, что это прямое короткое замыкание, и отключится до того, как будет нанесен ущерб. Блоки питания ПК часто подают на материнскую плату сигнал power good ; отсутствие этого сигнала предотвращает работу при аномальных напряжениях питания.

Некоторые SMPS имеют абсолютный предел минимального выходного тока. Они могут выводить мощность только выше определенного уровня и не могут работать ниже этого уровня. В условиях холостого хода частота схемы ограничения мощности увеличивается до большой скорости, в результате чего изолированный трансформатор действует как катушка Тесла, вызывая повреждение из-за возникающих в результате скачков мощности очень высокого напряжения. Импульсные источники питания со схемами защиты могут на короткое время включаться, но затем отключаться, когда нагрузка не обнаружена. Очень небольшая маломощная фиктивная нагрузка, такая как керамический силовой резистор или 10-ваттная лампочка, может быть присоединена к источнику питания, чтобы позволить ему работать без присоединенной первичной нагрузки.

Импульсные источники питания, используемые в компьютерах, исторически имели низкие коэффициенты мощности, а также являлись значительными источниками сетевых помех (из-за наведенных гармоник линии питания и переходные процессы). В простых импульсных источниках питания входной каскад может искажать форму волны линейного напряжения, что может отрицательно влиять на другие нагрузки (и приводить к низкому качеству электроэнергии для других потребителей коммунальных услуг) и вызывать ненужный нагрев проводов и распределительного оборудования. Кроме того, клиенты несут более высокие счета за электроэнергию при работе с нагрузками с более низким коэффициентом мощности. Чтобы обойти эти проблемы, некоторые компьютерные импульсные источники питания выполняют коррекцию коэффициента мощности и могут использовать входные фильтры или дополнительные переключающие каскады для уменьшения линейных помех.

Емкостный (бестрансформаторный) источник питания

A емкостной источник питания (бестрансформаторный источник питания) использует реактивное сопротивление конденсатора для снижения напряжения сети до меньшего переменного напряжения. Как правило, результирующее пониженное напряжение переменного тока затем выпрямляется, фильтруется и регулируется для получения постоянного выходного напряжения постоянного тока.

Выходное напряжение не изолировано от сети. Следовательно, чтобы не подвергать людей и оборудование воздействию опасного высокого напряжения, все, что подключено к источнику питания, должно быть надежно изолировано.

Конденсатор понижения напряжения должен выдерживать полное сетевое напряжение, а также должен иметь достаточную емкость, чтобы поддерживать максимальный ток нагрузки при номинальном выходном напряжении. Взятые вместе, эти ограничения ограничивают практическое использование этого типа источника питания в приложениях с низким энергопотреблением.

Линейный регулятор

Функция линейного регулятора напряжения заключается в преобразовании переменного напряжения постоянного тока в постоянное, часто конкретное, более низкое напряжение постоянного тока. Кроме того, они часто обеспечивают функцию ограничения тока для защиты источника питания и нагрузки от перегрузки по току (чрезмерного, потенциально разрушительного тока).

Постоянное выходное напряжение требуется во многих источниках питания, но напряжение, обеспечиваемое многими источниками энергии, будет изменяться в зависимости от изменения импеданса нагрузки. Кроме того, когда источником энергии является нерегулируемый источник питания постоянного тока, его выходное напряжение также будет изменяться с изменением входного напряжения. Чтобы обойти это, в некоторых источниках питания используется линейный регулятор напряжения для поддержания постоянного значения выходного напряжения, независимо от колебаний входного напряжения и сопротивления нагрузки. Линейные регуляторы также могут уменьшить величину пульсаций и шума на выходном напряжении.

Блоки питания переменного тока

Блок питания переменного тока обычно получает напряжение от стенной розетки (блок питания ) и использует трансформатор для повышения или понижения напряжения до желаемое напряжение. Также может иметь место некоторая фильтрация. В некоторых случаях напряжение источника совпадает с выходным напряжением; это называется разделительным трансформатором . Другие трансформаторы питания переменного тока не обеспечивают изоляцию от сети; они называются автотрансформаторами ; автотрансформатор с регулируемым выходом известен как variac. Другие типы источников питания переменного тока предназначены для обеспечения почти постоянного тока, а выходное напряжение может варьироваться в зависимости от импеданса нагрузки. В случаях, когда источником питания является постоянный ток (например, автомобильная аккумуляторная батарея), можно использовать инвертор и повышающий трансформатор для преобразования его в мощность переменного тока. Портативное питание переменного тока может обеспечиваться генератором, приводимым в действие дизельным или бензиновым двигателем (например, на строительной площадке, в автомобиле или лодке, или от резервного источника энергии для аварийных служб), ток которого передается на схема регулятора для обеспечения постоянного напряжения на выходе. Некоторые виды преобразователей переменного тока не используют трансформатор. Если выходное напряжение и входное напряжение одинаковы, а основное назначение устройства — фильтровать мощность переменного тока, его можно назвать стабилизатором линии. Если устройство предназначено для обеспечения резервного питания, его можно назвать источником бесперебойного питания. Схема может быть спроектирована с топологией умножителя напряжения для непосредственного повышения мощности переменного тока; раньше таким применением был вакуумный ламповый приемник переменного / постоянного тока.

. В настоящее время источники питания переменного тока можно разделить на однофазные и трехфазные системы. «Основное различие между однофазным и трехфазным питанием переменного тока — постоянство подачи». Источники питания переменного тока также могут использоваться для изменения частоты и напряжения, они часто используются производителями для проверки пригодности своей продукции для использования в других странах. 230 В 50 Гц или 115 60 Гц или даже 400 Гц для испытаний авионики.

Адаптер переменного тока

Переключаемое зарядное устройство для мобильного телефона

Адаптер переменного тока — это блок питания, встроенный в сетевой штекер. Адаптеры переменного тока также известны под разными другими названиями, такими как «вилка» или «сменный адаптер», или сленговыми терминами, такими как «стенная бородавка». Адаптеры переменного тока обычно имеют один выход переменного или постоянного тока, который передается по проводному кабелю к разъему, но некоторые адаптеры имеют несколько выходов, которые могут передаваться по одному или нескольким кабелям. «Универсальные» адаптеры переменного тока имеют сменные входные разъемы для работы с различными напряжениями сети переменного тока.

Адаптеры с выходами переменного тока могут состоять только из пассивного трансформатора (плюс несколько диодов в адаптерах выхода постоянного тока), или они могут использовать схему переключения. Адаптеры переменного тока потребляют энергию (и создают электрические и магнитные поля), даже если они не подключены к нагрузке; по этой причине их иногда называют «электрическими вампирами», и их можно подключать к удлинителям, чтобы их можно было удобно включать и выключать.

Программируемый источник питания

Программируемый источник питания

A программируемый источник питания — это тот, который позволяет дистанционно управлять его работой через аналоговый вход или цифровой интерфейс, такой как RS232 или GPIB. Контролируемые свойства могут включать в себя напряжение, ток и, в случае источников питания переменного тока, частоту. Они используются в широком спектре приложений, включая автоматическое тестирование оборудования, мониторинг роста кристаллов, производство полупроводников и генераторы рентгеновского излучения.

В программируемых источниках питания обычно используется встроенный микрокомпьютер для управления и контроля работы источника питания. Источники питания, оборудованные компьютерным интерфейсом, могут использовать проприетарные протоколы связи или стандартные протоколы и языки управления устройствами, такие как SCPI.

Источник бесперебойного питания

Источник бесперебойного питания (ИБП) получает питание от двух или больше источников одновременно. Обычно он питается напрямую от сети переменного тока, одновременно заряжая аккумулятор. В случае пропадания или пропадания электросети аккумулятор мгновенно берет на себя, так что нагрузка никогда не прерывается. Мгновенно здесь следует определять скорость электричества в проводниках, которая несколько близка к скорости света. Это определение важно, потому что передача высокоскоростных данных и услуги связи должны иметь непрерывность / НИКАКИХ разрывов этой услуги. Некоторые производители используют квазистандарт в 4 миллисекунды. Однако при высокой скорости передачи данных даже 4 мс времени при переходе от одного источника к другому недостаточно. Переход должен быть выполнен в перерыве перед методом make. ИБП, отвечающий этому требованию, называется Истинным ИБП или Гибридным ИБП. Время работы ИБП чаще всего зависит от батарей и в сочетании с генераторами. Это время может варьироваться от примерно 5-15 минут до буквально часов или даже дней. Во многих компьютерных установках времени работы от батарей хватает только на то, чтобы у операторов было время для правильного выключения системы. Другие схемы ИБП могут использовать двигатель внутреннего сгорания или турбину для подачи энергии во время отключения электроэнергии от электросети, и время работы от батареи зависит от того, сколько времени требуется генератору, чтобы быть в сети, и критичности обслуживаемого оборудования. Такая схема используется в больницах, центрах обработки данных, call-центрах, сотовых станциях и центральных телефонных аппаратах.

Источник высокого напряжения

Источник высокого напряжения 30 кВ с разъемом Федерального стандарта, используемый в электронных микроскопах

A Источник высокого напряжения — это источник, который выводит сотни или тысячи вольт. Используется специальный выходной разъем, предотвращающий искрение, пробой изоляции и случайный контакт с человеком. Соединители Федерального стандарта обычно используются для приложений с напряжением выше 20 кВ, хотя другие типы соединителей (например, соединитель SHV ) могут использоваться при более низких напряжениях. Некоторые высоковольтные источники питания имеют аналоговый вход или цифровой интерфейс связи, который можно использовать для управления выходным напряжением. Источники питания высокого напряжения обычно используются для ускорения и управления электронными и ионными пучками в таком оборудовании, как генераторы рентгеновского излучения, электронные микроскопы и сфокусированный ионный пучок столбцов, а также в различных других приложениях, включая электрофорез и электростатику.

Высоковольтные источники питания обычно направляют большую часть своей входной энергии на инвертор, который, в свою очередь, управляет умножителем напряжения или высоковольтным трансформатором с большим передаточным числом, или обоими (обычно трансформатор, за которым следует умножитель) для получения высокого напряжения. Высокое напряжение выводится из источника питания через специальный соединитель и также подается на делитель напряжения , который преобразует его в сигнал измерения низкого напряжения, совместимый с низковольтной схемой. Сигнал измерения используется контроллером с обратной связью, который регулирует высокое напряжение, управляя входной мощностью инвертора, и он также может выводиться из источника питания, чтобы позволить внешней схеме контролировать выходное высокое напряжение.

Биполярный источник питания

Биполярный источник питания (Kepco BOP 6-125MG)

Биполярный источник питания работает во всех четырех квадрантах напряжения / тока Декартова плоскость, что означает, что она будет генерировать положительные и отрицательные напряжения и токи, необходимые для поддержания регулирования. Когда его выход управляется аналоговым сигналом низкого уровня, он фактически представляет собой узкополосный операционный усилитель с высокой выходной мощностью и плавным переходом через ноль. Этот тип источника питания обычно используется для питания магнитных устройств в научных приложениях.

Спецификация

Пригодность конкретного источника питания для приложения определяется различными атрибутами источника питания, которые обычно перечислены в спецификации источника питания. Обычно указанные атрибуты для источника питания включают:

• Тип входного напряжения (переменный или постоянный) и диапазон
• КПД преобразования энергии
• Величина напряжения и ток, который он может подавать на свою нагрузку
• Насколько стабильно его выходное напряжение или ток при различных условиях линии и нагрузки
• Как долго он может подавать энергию без дозаправки или подзарядки (применимо к источникам питания, использующим портативные источники энергии)
• Диапазон рабочих температур и температур хранения

Обычно используемые сокращения, используемые в спецификациях источников питания:

• SCP — Защита от короткого замыкания
• OPP — Overpower (защита от перегрузки)
• OCP — Защита от перегрузки по току
• OTP — Защита от перегрева
• OVP — Защита от перенапряжения
• UVP — Защита от пониженного напряжения

Thermal Management

Источник питания электрической системы имеет тенденцию выделять много тепла. Чем выше КПД, тем больше тепла отводится от агрегата. Есть много способов управлять теплом блока питания. Типы охлаждения обычно делятся на две категории — конвекция и теплопроводность. Общие методы конвекции для охлаждения электронных источников питания включают естественный поток воздуха, принудительный поток воздуха или другой поток жидкости над устройством. Общие методы кондуктивного охлаждения включают теплоотводы, холодные пластины и термические соединения.

Защита от перегрузки

Источники питания часто имеют защиту от короткого замыкания или перегрузки, которые могут повредить источник питания или вызвать пожар. Предохранители и автоматические выключатели представляют собой два обычно используемых механизма защиты от перегрузки.

Предохранитель содержит короткий кусок провода, который плавится при протекании слишком большого тока. Это эффективно отключает источник питания от нагрузки, и оборудование перестает работать до тех пор, пока не будет выявлена ​​проблема, вызвавшая перегрузку, и не будет заменен предохранитель. В некоторых источниках питания используется очень тонкая перемычка , припаянная на месте в качестве предохранителя. Конечный пользователь может заменить предохранители в блоках питания, но для доступа к предохранителям в потребительском оборудовании и их замены могут потребоваться инструменты.

Автоматический выключатель содержит элемент, который нагревает, изгибает и запускает пружину, отключающую цепь. Как только элемент остынет и проблема будет выявлена, выключатель можно будет сбросить и подать питание.

Некоторые блоки питания используют термовыключатель, расположенный в трансформаторе, а не предохранитель. Преимущество состоит в том, что он позволяет потреблять больший ток в течение ограниченного времени, чем устройство может обеспечивать непрерывно. Некоторые такие вырезы являются самовосстанавливающимися, некоторые — одноразовыми.

Ограничение тока

Некоторые источники питания используют ограничение тока вместо отключения питания в случае перегрузки. Используется два типа ограничения тока: электронное ограничение и ограничение импеданса. Первый типичен для лабораторных блоков питания, второй — для источников питания мощностью менее 3 Вт.

A Ограничитель тока с обратной связью снижает выходной ток до значения, намного меньшего, чем максимальный ток без повреждения.

Приложения

Источники питания являются основным компонентом многих электронных устройств и поэтому используются в самых разных приложениях. Этот список представляет собой небольшой пример множества применений источников питания.

Компьютеры

Современный компьютерный блок питания — это импульсный блок питания, который преобразует мощность переменного тока из сети в несколько напряжений постоянного тока. Импульсные источники питания заменили линейные из-за улучшений стоимости, веса, эффективности и размеров. Разнообразный набор выходных напряжений также требует сильно различающихся требований к потребляемому току.

Электромобили

Электромобили — это те, которые используют энергию, вырабатываемую при производстве электроэнергии. Блок питания является частью необходимой конструкции для преобразования энергии высоковольтной аккумуляторной батареи автомобиля.

Сварка

Дуговая сварка использует электричество для соединения металлов путем их плавления. Электроэнергия обеспечивается источником сварочного тока и может быть переменного тока или постоянного тока. Для дуговой сварки требуются высокие токи, обычно от 100 до 350 ампер. Некоторые типы сварки могут использовать всего 10 ампер, в то время как в некоторых случаях точечной сварки используются токи до 60 000 ампер в течение чрезвычайно короткого времени. Источники питания для сварки состояли из трансформаторов или двигателей, приводящих генераторов ; современное сварочное оборудование использует полупроводники и может включать в себя микропроцессорное управление.

Самолет

Как коммерческим, так и военным бортовым системам требуется источник питания постоянного или переменного тока для преобразования энергии в полезное напряжение. Они могут часто работать на частоте 400 Гц в интересах экономии веса.

Автоматизация

Это относится к конвейерам, сборочным линиям, считывателям штрих-кодов, камерам, двигателям, насосам, полуфабрикатам и многому другому.

Медицина

Сюда входят аппараты ИВЛ, инфузионные насосы, хирургические и стоматологические инструменты, средства визуализации и кровати.

См. Также

• Портал электроники
• Портал энергетики

• Адаптер переменного тока
• Емкостный источник питания
• Производство электроэнергии
• Высокое напряжение
• Электроэнергия в сети по странам
• Двигатель –Generator
• Шнур питания
• Sense (электроника)
• Регулятор напряжения
• Категория: Производители блоков питания

Ссылки

Внешние ссылки

Искать источник питания в Викисловаре, бесплатный словарь.

Викискладе есть носители, относящиеся к Источники питания.

• Общие сведения о работе линейного источника питания
• Источники питания нагрузки для максимальной эффективности, Джеймс Колотти, EDN 1979 5 октября

Биполярное питание что это

Источник питания — ключевой элемент любой электронной системы, от характеристик которого зависят такие важные характеристики готового изделия, как энергоэффективность, срок службы, электромагнитная совместимость, габариты, стоимость. В статье представлен обзор возможностей для проектирования источников питания, рассмотрены основные и широко применяемые топологии изолированных и неизолированных источников питания, их преимущества и недостатки, а также вопросы, связанные с фильтрацией и электромагнитными помехами. Цель мини-руководства — дать общее представление о принципах проектирования современных источников питания.

Введение
В большинстве электронных систем требуется преобразование напряжения источника питания в напряжение схемы, для питания которой он предназначен. Напряжение на батарее снижается по мере ее разрядки, а использование DC / DC-преобразователя гарантирует, что большая часть энергии, накопленной в аккумуляторе, будет использоваться для питания схемы. Также, от сети переменного тока невозможно запитать электронные схемы напрямую. Источники питания и преобразователи напряжения используются во всех электронных системах и за прошедшие годы они подвергались оптимизации для решения конкретных задач. Как правило, целями такой оптимизации являются минимальные габариты устройства, высокий КПД, электромагнитная совместимость и низкая стоимость решения.

Простейший источник питания: LDO-стабилизатор
Один из простейших типов источника питания — линейный регулятор или стабилизатор с малым падением напряжения (LDO). Линейный стабилизатор можно представить как регулируемый резистор, установленный между входом и выходом, таким образом выходное напряжение остается постоянным, вне зависимости от входного напряжения и тока нагрузки (рис. 1).

Рис. 1. Принцип работы линейного стабилизатора

В течение многих лет схема типового силового преобразователя строилась на основе подключенного к сети 50 / 60-Гц трансформатора с определенным соотношением обмоток для генерирования нестабилизированного выходного напряжения, которое на несколько вольт выше, чем напряжение питания, необходимое в системе. После трансформатора включен линейный стабилизатор для преобразования этого промежуточного напряжения в стабилизированное напряжение для питания схемы (рис. 2).

Рис. 2. Типовая схема силового преобразователя на основе сетевого трансформатора и линейного стабилизатора

Недостаток схемы, показанной на рис. 2, заключается в том, что 50 / 60-Гц трансформатор имеет большие габариты, вес и стоимость. Кроме того, линейный стабилизатор рассеивает много тепла, снижая общую эффективность системы, а при высокой мощности системы отвод тепла становится затруднительным.

Импульсные источники питания
Чтобы избежать недостатков схемы, показанной на рис. 2, были изобретены импульсные источники питания. На вход этих устройств подается не сетевое напряжение переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, а постоянное напряжение (или выпрямленное переменное напряжение). Затем генерируется напряжение гораздо более высокой частоты для того, чтобы использовать трансформатор намного меньшего размера, а в неизолированных системах используется LC-фильтр для формирования постоянного напряжения на выходе. Преимущества такого решения — небольшие размеры и относительно невысокая стоимость. Генерируемое промежуточное переменное напряжение не обязательно должно быть синусоидальным. Простой прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией будет также работать хорошо, его легко сформировать с помощью ШИМ-генератора и силового ключа.
Вплоть до 2000 года в качестве ключей наиболее часто использовали биполярные транзисторы. Они работают хорошо, но имеют относительно низкую скорость переключения. Кроме того, биполярные транзисторы не очень энергоэффективны, что ограничивает их частоту переключения 50 или 100 кГц. На сегодняшний день вместо биполярных транзисторов используются быстрые полевые МОП-транзисторы, имеющие меньшие потери переключения, что позволяет им работать на скоростях до 5 МГц. Такие высокие частоты переключения позволяют применять в силовом каскаде катушки индуктивности и конденсаторы небольшого размера.
Импульсные стабилизаторы обладают массой преимуществ. Как првило, они обеспечивают преобразование напряжения с высоким КПД, позволяют повышать и понижать напряжение, они довольно компактные и недорогие. Недостатки заключаются в том, что их не так просто спроектировать и оптимизировать, кроме того, они генерируют электромагнитные помехи из-за коммутационных и переходных процессов. Доступность микросхем импульсных стабилизаторов, а также инструментов проектирования источников питания, таких как LTpowerCAD и LTspice, значительно упростили сложный процесс проектирования. С помощью таких инструментов проектирование схемы импульсного источника питания можно выполнить в полуавтоматическом режиме.

Развязка в источниках питания
При проектировании источника питания в первую очередь необходимо прояснить вопрос, требуется ли гальваническая развязка. Гальваническая развязка используется по нескольким причинам. Она делает цепи более безопасными, обеспечивает работу системы в плавающем режиме и предотвращает распространение зашумленных токов заземления через различные электронные устройства в одной схеме. Наиболее распространенные изолированные топологии — обратноходовой и прямоходовой преобразователи. Однако в более высокомощных системах используются другие изолированные топологии, такие как двухтактная, полумостовая и мостовая.
Если гальваническая развязка не нужна, в большинстве случаев используется неизолированная топология. Изолированные топологии всегда содержат трансформатор, само устройство становится крупнее и дороже, а найти готовый трансформатор, отвечающий требованиям конкретного источника питания, довольно проблематично.

Рис. 3. Схема простого понижающего преобразователя

Наиболее распространенные топологии, когда развязка не требуется
Наиболее распространенной неизолированной топологией импульсного источника питания является понижающий преобразователь (buck converter, step-down converter). На его вход подается положительное напряжение, а на выходе генерируется выходное напряжение ниже входного. Это одна из трех основных топологий импульсных источников питания, для которых требуются только два ключа, катушка индуктивности и два конденсатора (рис. 3). Ключ верхнего плеча передает импульс тока со входа и генерирует напряжение узла, амплитуда которого меняется в диапазоне от входного напряжения до напряжения земли. LC-фильтр сглаживает импульсное напряжение на коммутационном узле и генерирует выходное напряжение постоянного тока. В зависимости от скважности ШИМ-сигнала, управляющего ключом верхнего плеча, генерируются разные уровни выходного напряжения. Понижающий DC / DC-преобразователь относительно прост в проектировании, имеет высокий КПД и требует минимального количества компонентов.
Импульсы тока присутствуют на входе понижающего преобразователя, тогда как на выходе присутствует непрерывный ток катушки индуктивности. По этой причине понижающий стабилизатор характеризуется высоким уровнем шума на входе и низким на выходе. Это важно учитывать при проектировании систем с низким уровнем шума.
Помимо понижающей топологии, второй базовой топологией является повышающая топология (boost, step-up). В ней используются те же пять базовых силовых компонентов, что и в понижающем преобразователе, но в измененной конфигурации: катушка индуктивности включена в первичной цепи, а ключ верхнего плеча — на выходе (рис. 4). Повышающая топология используется для увеличения выходного напряжения относительно входа.

Рис. 4. Схема простого повышающего преобразователя

При выборе повышающего преобразователя важно учитывать, что в технической документации на эти устройства всегда указывают максимальный номинальный ток ключа, а не максимальный выходной ток. В понижающем преобразователе максимальный ток ключа напрямую связан с максимально достижимым выходным током, независимо от соотношения между входным и выходным напряжением. В повышающем стабилизаторе соотношение напряжений напрямую влияет на максимальный выходной ток с учетом фиксированного максимального тока ключа. При выборе подходящей ИС повышающего преобразователя необходимо знать не только необходимый выходной ток, но также входное и выходное напряжение разрабатываемой системы.
Повышающий преобразователь имеет очень низкий уровень шума на входе, поскольку катушка индуктивности, установленная на входе, предотвращает быстрые изменения тока. Однако на выходе такая топология довольно шумная. Через внешний ключ протекает только импульсный ток, что вызывает пульсации на выходе.
Третья базовая топология, содержащая всего пять базовых компонентов, — это инвертирующий повышающе-понижающий (buck-boost) преобразователь, то есть он преобразует положительное входное напряжение в отрицательное выходное напряжение. Входное напряжение может быть выше или ниже абсолютного значения инвертированного выходного напряжения. Например, выходное напряжение -12 В может генерироваться из 5 или 24 В на входе. Это возможно без каких-либо специальных модификаций схемы.
В инвертирующей повышающе-понижающей топологии катушка индуктивности включена между коммутирующим узлом и землей (рис. 5). Как на входе, так и на выходе преобразователя присутствует импульсный ток, что делает эту топологию относительно шумной как на стороне входа, так и на стороне выхода. В приложениях с низким уровнем шума эта особенность компенсируется дополнительной фильтрацией на входе и выходе.

Рис. 5. Схема простого инвертирующего повышающе-понижающего преобразователя

Весьма положительный аспект инвертирующей повышающе-понижающей топологии заключается в том, что для такого преобразователя можно использовать любую ИС понижающего импульсного стабилизатора. Это так же просто, как подсоединить выходное напряжение понижающей цепи к системной земле. Земляная шина ИС понижающего преобразователя становится регулируемым отрицательным напряжением. Это свойство
обеспечивает очень широкий выбор ИС импульсных стабилизаторов на рынке.

Специализированные топологии
Помимо трех основных неизолированных топологий импульсных источников питания, рассмотренных ранее, существует еще несколько доступных топологий. Однако все они требуют дополнительных силовых компонентов. Обычно это увеличивает их стоимость при более низкой эффективности преобразования энергии. Как правило, включение дополнительных компонентов в силовой тракт увеличивает потери, хотя есть определенные исключения. Некоторые из наиболее популярных топологий — SEPIC, Zeta, Ćuk и повышающе-понижающаяс четырьмя ключами. В каждой из них реализованы функции, которых нет в трех основных топологиях. Ниже приведены особенности каждой из них.

SEPIC
SEPIC-преобразователь генерирует положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения, которое может быть выше или ниже выходного напряжения. Для проектирования SEPIC-источника питания могут быть использованы ИС повышающего стабилизатора. Недостаток этой топологии — необходимость во второй катушке индуктивности или одном связанном индукторе, а также SEPIC-конденсаторе.

Zeta
Zeta-преобразователь подобен SEPIC, но способен генерировать как положительное, так и отрицательное выходное напряжение. Кроме того, он не имеет нулевой точки в правой полуплоскости (RHPZ), что упрощает контур управления. Для такой топологии можно использовать ИС понижающего преобразователя.

Ćuk
Ćuk-преобразователь инвертирует положительное входное напряжение в отрицательное выходное напряжение. В нем используются две катушки индуктивности: одна — на входной, другая — на выходной стороне, что делает устройство довольно малошумящим как на входе, так и на выходе. Недостатком является то, что существует не очень много ИС импульсных преобразователей, поддерживающих эту топологию, поскольку для контура управления требуется вывод отрицательной обратной связи по напряжению.

Повышающе-понижающая топология с четырьма ключами
Этот тип преобразователя стал довольно популярным в последние годы. Он генерирует положительное выходное напряжение из положительного входного напряжения. Входное напряжение может быть выше или ниже регулируемого выходного напряжения. Этот преобразователь может заменить схемы на основе SEPIC-топологии, поскольку обеспечивает более высокую эффективность преобразования и требует только одну катушку индуктивности.

Рис. 6. Обратноходовой преобразователь (вверху) и прямоходовой преобразователь (внизу)

Наиболее распространенные изолированные топологии
Помимо неизолированной топологии, для некоторых приложений требуются силовые преобразователи с гальванической развязкой. Причины могут заключаться в соображениях безопасности, необходимости иметь плавающее заземление в разветвленных системах, в которых различные схемы соединены между собой, или предотвращении протекания земляных токов в чувствительных к помехам приложениях. Наиболее распространенные изолированные топологии — обратноходовые и прямоходовые преобразователи.
Обратноходовой преобразователь обычно используется для уровней мощности до 60 Вт. Схема работает таким образом, что во включенном состоянии энергия накапливается в трансформаторе (рис. 6). Во время паузы эта энергия передается во вторичную обмотку и выход. Этот преобразователь прост в проектировании, но для него требуются относительно большие трансформаторы для накопления энергии, необходимой для корректной работы. Этот фактор ограничивает применение топологии для небольших уровней мощности.
Помимо обратноходового преобразователя, большой популярностью пользуется прямоходовой преобразователь. В нем трансформатор используется иначе, чем в обратноходовой топологии.
Во включенном состоянии, пока есть ток через первичную обмотку, есть также ток через вторичную обмотку. Энергия не должна накапливаться в сердечнике трансформатора. После каждого цикла переключения мы должны убедиться, что намагничивание сердечника отсутствует, чтобы трансформатор не перешел в режим насыщения после нескольких циклов переключения. Размагничивание сердечника может быть достигнуто с помощью нескольких
приемов. Один из популярных способов — использование активного ограничителя, состоящего из конденсатора и дополнительного ключа.

Рис. 7. Созданная в LTspice схема прямоходового преобразователя с активной схемой ограничения на основе ADP1074 для формирования изолированного выходного напряжения

На рис. 7 показана созданная в среде моделирования LTspice схема прямоходового преобразователя с активной схемой ограничения намагничивания трансформатора на базе микросхемы ADP1074. Как показано на рис. 6, в прямоходовом преобразователе есть дополнительная катушка индуктивности в выходном тракте, в отличие от обратноходового преобразователя. Хотя это еще один дополнительный компонент, требующий пространства на плате и повышающий стоимость системы, он помогает снизить выходной шум по сравнению с обратноходовым преобразователем. Кроме того, габариты трансформатора для прямоходового преобразователя намного меньше при том же уровне мощности, чем для обратноходового преобразователя.

Усовершенствованные изолированные топологии
Помимо обратноходовой и прямоходовой топологий, существует много различных видов трансформаторных гальванически развязанных преобразователей. Ниже представлены сведения о наиболее распространенных топологиях.

Двухтактная топология
Двухтактная топология аналогична прямоходовому преобразователю. Однако вместо одного ключа нижнего плеча для нее требуются два активных ключа нижнего плеча. Также нужна первичная обмотка трансформатора с центральным отводом. Преимущество двухтактного преобразователя заключается в том, что он работает с меньшим уровнем шума по сравнению с прямоходовым преобразователем, а также для него требуется трансформатор меньшего размера. Гистерезис кривой намагничивания трансформатора используется в двух квадрантах, а не в одном.

Полумостовая и мостовая топологии
Эти две топологии обычно используются для систем с более высокой мощностью, от нескольких сотен Вт до нескольких кВт. Для них, помимо ключей нижнего плеча, требуются ключи верхнего плеча, но схема обеспечивает передачу очень высокой мощности при относительно небольших габаритах трансформаторов.

ZVS
Этот термин, который означает «переключение при нулевом напряжении» (zero voltage switching), часто используют для изолированных преобразователей большой мощности. Еще одно название такой топологии — LLC-преобразователи (индуктор — индуктор — конденсатор). Эти архитектуры ориентированы на преобразование с очень высокой эффективностью. Они генерируют резонансный контур и переключают силовые ключи, когда напряжение или ток на ключах близки к нулю. Таким образом, потери на переключение сводятся к минимуму. Однако такие решения могут быть трудными в проектировании, а частота переключения не фиксирована, что иногда приводит к проблемам с электромагнитными помехами.

Преобразователи на переключаемых конденсаторах
Помимо линейных стабилизаторов и импульсных источников питания, существует третья группа преобразователей мощности — преобразователи на переключаемых конденсаторах. Их также называют преобразователями с накачкой заряда. В данных преобразователях для умножения или инвертирования напряжения используются ключи и конденсаторы. Преимущество таких схем заключается в том, что они не нуждаются в катушке индуктивности. Обычно такие преобразователи используются для низких уровней мощности, менее 5 Вт. Однако, недавно были проведены значительные усовершенствования данных конверторов, позволяющие создавать преобразователи на переключаемых конденсаторах гораздо большей мощности. На рис. 8 показана схема преобразователя мощностью 120 Вт на основе контроллера LTC7820, который обеспечивает преобразование 48 в 24 В с КПД = 98,5%.

Рис. 8. Преобразователь с накачкой заряда высокой мощности на основе контроллера LTC7820

Цифровые источники питания
Все источники питания, обсуждаемые в статье, могут быть реализованы как аналоговые или цифровые блоки питания. Что такое цифровой источник питания на самом деле? Энергия всегда должна передаваться через аналоговый силовой каскад с ключами, катушками индуктивности, трансформаторами и конденсаторами. Цифровая часть представлена двумя функциональными блоками. Первый — это цифровой интерфейс, который позволяет электронной системе «общаться» с источником питания. Для оптимиза ции источника питания в различных условиях эксплуатации можно оперативно задавать различные параметры. Кроме того, источник питания может связываться с главным процессором и сигнализировать об аварии или неисправности. Например, система может отслеживать превышение заданного тока нагрузки или чрезмерную температуру источника питания.
Еще одно цифровое решение — замена аналогового контура управления на цифровой. Такой подход может работать вполне корректно, но для большинства приложений оптимальным вариантом является обычная аналоговая обратная связь с элементами цифрового управления некоторыми параметрами, например оперативная регулировка коэффициента усиления усилителя ошибки или динамическая установка параметров компенсации контура для реализации стабильной и быстрой обратной связи. Примером устройства с чисто цифровым контуром управления является контроллер ADP1046A от Analog Devices. Еще одна микросхема, LTC3883, — один из примеров понижающего стабилизатора с цифровым интерфейсом и оптимизированным аналоговым контуром управления.

Рис. 9. Сигнал на коммутирующем узле импульсного источника питания

Вопросы электромагнитной совместимости
Электромагнитные помехи всегда являются проблемой, на которую следует обращать внимание при разработке импульсных источников питания. Причина в том, что в импульсных источниках питания коммутируются токи большой величины в очень короткие промежутки времени. Чем быстрее происходит переключение, тем выше общая эффективность системы. Время перехода между включенным и выключенным состоянием определяет время в течение которого ключ находится в активном режиме и создает потери переключения. На рис. 9 показан
сигнал на коммутирующем узле импульсного источника питания. Представим себе понижающий стабилизатор. Высокое напряжение определяется наличием тока, протекающего через ключ верхнего плеча, а низкое напряжение — отсутствием тока.
На рис. 9 мы видим, что импульсный источник питания генерирует шум не только из-за основной частоты переключения, но также из-за переходного процесса, шум от которого имеет намного большую частоту. Хотя частота переключения обычно составляет от 500 кГц до 3 МГц, время переключения может составлять несколько нс. Если время переключения составляет 1 нс, то мы увидим в спектре соответствующую частоту 1 ГГц. Обе эти частоты будут восприниматься как излучаемые и кондуктивные помехи. Другие паразитные частоты могут возникать из-за колебаний в контуре управления или взаимовлияния источника питания и фильтра.
Есть две причины, по которым следует уменьшать электромагнитные помехи. Первая причина — обеспечить защиту функциональных свойств электронной системы, питаемой конкретным источником питания. Например, 16‑разрядный АЦП, который используется в сигнальном тракте системы, не должен воспринимать коммутационный шум, исходящий от источника питания. Вторая причина заключается в соблюдении определенных требований по электромагнитной совместимости, которые вводятся правительствами во всем мире для защиты работы различных электронных систем.
Электромагнитные помехи бывают двух видов: излучаемые и кондуктивные. Наиболее эффективные способы снижения излучаемых электромагнитных помех — оптимизация компоновки печатной платы и использование таких технологий, как Silent Switcher от Analog Devices. Конечно, одно из эффективных решений — поместить схему в экранированный корпус. Однако это может быть непрактично и в большинстве случаев очень дорого.
Кондуктивные электромагнитные помехи обычно ослабляют дополнительной фильтрацией. В следующем разделе обсудим этот вопрос.

Фильтрация
RC-фильтр — базовый вариант фильтра нижних частот. Однако в источнике питания используется не что иное, как LC-фильтр. Часто достаточно последовательного включения индуктивности, которая вместе с входными или выходными конденсаторами импульсного источника питания образует LC- или CLC-фильтр. Иногда в качестве фильтров используются только конденсаторы, но, учитывая паразитную индуктивность силовых кабелей и проводников, в результате также получаем LC-фильтр. В качестве индуктивности L может выступать катушка индуктивности с сердечником или ферритовая бусина. LC-фильтр на самом деле работает как фильтр нижних частот, так что питание постоянного тока может проходить через него, а высокочастотные помехи в значительной степени ослабляются. LC-фильтр имеет двойной полюс, поэтому мы получаем затухание высоких частот на уровне 40 дБ на декаду и относительно резкий спад.
Разработка фильтра — не самое сложное занятие, но моделирование фильтра может стать довольно трудоемким, так как необходимо учитывать паразитные эффекты и паразитные компоненты схемы. Многие разработчики, имеющие опыт проектирования фильтров, знают, какие фильтры работали корректно в предыдущих проектах, и могут в итеративном режиме оптимизировать фильтр для нового проекта.
При проектировании любого фильтра необходимо учитывать не только поведение схемы при слабом сигнале, например передаточную функцию фильтра на графике Боде, но и эффекты сильного сигнала. В любом LC-фильтре мощность передается через катушку индуктивности и накапливается в ней. Если на нагрузке больше не требуется мощность вследствие переходного процесса, то катушка индуктивности должна отдать свою мощность куда-либо. Катушка заряжает конденсатор фильтра, если фильтр не рассчитан на такие жесткие условия, произойдет выброс напряжения на выходе и повреждение цепи.

Рис. 10. Проектирование входного фильтра для понижающего стабилизатора с помощью
LTpowerCAD

Наконец, фильтры имеют определенный импеданс. Этот импеданс взаимодействует с импедансом силовых преобразователей, подключенных к фильтру. Их взаимодействие может привести к нестабильности и осцилляциям. Инструменты моделирования, такие как LTspice и LTpowerCAD от Analog Devices, могут оказать большую помощь в поиске таких проблем и в проектировании идеального фильтра. На рис. 10 показан графический пользовательский интерфейс инструмента разработки фильтров в среде проектирования LTpowerCAD. Проектирование фильтров с помощью этого инструмента — очень простая задача.

Технология Sile nt Switcher
Излучаемые помехи трудно блокировать. Требуется специальное металлизированное экранирование, что может стоить очень дорого. На протяжение долгого времени инженеры искали пути снижения электромагнитных помех, создаваемых импульсными источниками питания. Несколько лет назад с развитием технологии Silent Switcher был сделан большой прорыв. За счет уменьшения паразитных индуктивностей в горячих контурах импульсного источника питания, а также благодаря разделению горячих контуров на два и установки их симметричным образом удалось большей частью взаимно скомпенсировать излучаемые помехи. Сегодня доступно множество устройств Silent Switcher с гораздо меньшим уровнем помех, чем у обычных изделий. Снижение уровня излучаемых помех позволяет увеличить скорость переключения без серьезного ухудшения характеристик электромагнитной совместимости. Один з примеров такого инновационного подхода — понижающий стабилизатор LTC3310S (рис. 11), который может работать с частотой коммутации до 5 МГц, что позволяет создавать чрезвычайно компактные системы с недорогими внешними компонентами.

Рис. 11. Проект на основе понижающего стабилизатора LTC3310S Silent Switcher обеспечивает наименьший уровень излучаемых помех

Управление питанием – необходимость, но может доставлять удовольствие
В статье были рассмотрены некоторые аспекты проектирования источников питания, в том числе различные топологии источников питания, их преимущества и недостатки. Для разработчиков источников питания эта информация может показаться довольно простой, однако как экспертам, так и новичкам будет полезно применять в процессе проектирования
программные инструменты, такие как LTpowerCAD и LTspice. С помощью этих инструментов силовые преобразователи можно спроектировать и оптимизировать за очень короткое время.

По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте analog@eltech.spb.ru.

Источники питания

Первая проблема, с которой при конструировании любых устройств сталкиваются и начинающие и опытные радиолюбители — это проблема электропитания. В настоящей статье будут рассмотрены разнообразные сетевые источники питания (микромощные, средней мощности, мощные). При выборе и разработке источника питания (далее ИП) необходимо учитывать ряд факторов, определяемых условиями эксплуатации, свойствами нагрузки, требованиями к безопасности и т.д. В первую очередь, конечно, следует обратить внимание на соответствие электрических параметров ИП требованиям питаемого устройства, а именно:
• напряжение питания;
• потребляемый ток;
• требуемый уровень стабилизации напряжения питания;
• допустимый уровень пульсации напряжения питания. Немаловажны и характеристики ИП. влияющие на его эксплуатационные качества:
• наличие систем защиты;
• массогабаритные размеры. Являясь неотъемлемой частью радиоэлектронной аппаратуры, средства вторичного электропитания должны жестко соответствовать определенным требованиям, которые определяются как требованиями к самой аппаратуре в целом, так и условиями предъявляемыми к источникам питания и их работе в составе данной аппаратуры. Любой из параметров ИП, выходящий за границы допустимых требований, вносит диссонанс в работу устройства. Поэтому, прежде чем начинать сборку ИП к предполагаемой конструкции, внимательно проанализируйте все имеющиеся варианты и выберите такой ИП, который будет максимально соответствовать всем требованиям и вашим возможностям. Существует четыре основных типа сетевых источников питания:
• бестрансформаторные, с гасящим резистором или конденсатором.
• линейные, выполненные по классической схеме: понижающий трансформатор — выпрямитель — фильтр — стабилизатор.
• вторичные импульсные: понижающий трансформатор -фильтр — высокочастотный преобразователь 20-400 кГц.
• импульсный высоковольтный высокочастотный: фильтр — выпрямитель ~220 В — импульсный высокочастотный преобразователь 20-400кГц. Линейные источники питания отличаются предельной простотой и надежностью, отсутствием высокочастотных помех. Высокая степень доступности комплектующих и простота изготовления делает их наиболее привлекательными для повторения начинающими радиоконструкторами. Кроме того, в некоторых случаях немаловажен и чисто экономический расчет — применение линейных ИП однозначно оправдано в устройствах, потребляющих до 500 мА, которые требуют достаточно малогабаритных ИП. К таким устройствам можно отнести:
• зарядные устройства для аккумуляторов;
• блоки питания радиоприемников, АОНов, систем сигнализации и т.д. Необходимо отметить, что некоторые конструкции, не требующие гальванической развязки с промышленной сетью, можно питать через гасящий конденсатор или резистор, при этом потребляемый ток может достигать сотен мА. Эффективность и рациональность применения линейных ИП значительно снижается при токах потребления более 1 А. Причинами этого являются следующие явления:
• колебания сетевого напряжения сказываются на коэффициенте стабилизации;
• на входе стабилизатора приходится устанавливать напряжение, которое будет заведомо выше минимально допустимого при любых колебаниях напряжения в сети, а это значит, что когда эти колебания высоки. необходимо устанавливать завышенное напряжение, что в свою очередь влияет на проходной транзистор (неоправданно большое падение напряжения на переходе, и как следствие — высокое тепловыделение);
• большой потребляемый ток требует применения габаритных радиаторов на выпрямляющих диодах и регулирующем транзисторе, ухудшает тепловой режим и габаритные размеры устройства в целом. Достаточно просты в изготовлении и эксплуатации вторичные импульсные преобразователи напряжения, их отличает простота изготовления и дешевизна комплектующих. Экономически и технологически оправдано конструировать ИП по схеме вторичного импульсного преобразователя для устройств с током потребления 1-5 А, для бесперебойных ИП к системам видеонаблюдения и охраны, для усилителей низкой частоты, радиостанций, зарядных устройств. Лучшая отличительная черта вторичных преобразователей перед линейными — массогабаритные характеристики выпрямителя, фильтра, преобразователя, стабилизатора. Однако их отличает большой уровень помех, поэтому при конструировании необходимо уделить внимание экранированию и подавлению высокочастотных составляющих в шине питания. В последнее время получили достаточно широкое распространение импульсные ИП, построенные на основе высокочастотного преобразователя с бестрансформаторным входом. Эти устройства, питаясь от промышленной сети ~110В/220В, не содержат в своем составе громоздких низкочастотных силовых трансформаторов, а преобразование напряжения осуществляется высокочастотным преобразователем на частотах 20-400 кГц. Такие источники питания обладают на порядок лучшими массогабаритными показателями по сравнению с линейными, а их КПД может достигать 90% и более. ИП с импульсным высокочастотным преобразователем существенно улучшают многие характеристики устройств, питаемых от этих источников, и могут применяться практически в любых радиолюбительских конструкциях. Однако их отличает достаточно высокий уровень сложности, высокий уровень помех в шине питания, низкая надежность, высокая себестоимость, недоступность некоторых компонентов. Таким образом, необходимо иметь очень веские основания для применения импульсных ИП на основе высокочастотного преобразователя в любительской аппаратуре (в промышленных устройствах это в большинстве случаев оправдано). Такими основаниями могут служить: вероятность колебаний входного напряжения в пределах ~100-300 В. возможность создавать ИП с мощностью от десятков ватт до сотен киловатт на любые выходные напряжения, появление доступных высокотехнологичных решений на основе ИМС и других современных компонентов.

1. Источник питания с гальванической развязкой от сети на оптронах

Микромощные ИП с гальванической развязкой от сети ~220 В можно выполнить с применением оптронов, включив их последовательно для увеличения выходного напряжения (рис. 3.2-1.). Перенос энергии осуществляется посредством однонаправленного светового потока внутри оптрона (оптрон содержит светоизлучающий и поглощающий элементы), таким образом, гальванической связи с сетью не возникает. На одной оптопаре выделяется 0,5-0,7 В для АОД101. АОД302 и 4 В—для АОТ102, АОТ110 (при токе 0,2 мА). Для обеспечения требуемых значений напряжения и тока оптопары включаются последовательно или параллельно. В качестве буферного накапливающего элемента можно использовать ионистор, аккумулятор или емкость на 100-1000 мкФ. Светодиоды запитываются через емкость не более 0.2 мкФ во избежание разрушения. Необходимо помнить, что эффективность оптронов падает со временем (приблизительно на 25% за 15000 часов работы).

2. Микромощный стабилизатор с малым потреблением

В некоторых радиолюбительских конструкциях требуются микромощные стабилизаторы, потребляющие в режиме стабилизации микроамперы. На рис. 3.2-4 приведена принципиальная схема такого стабилизатора с внутренним током потребления 10 мкА и током стабилизации 100 мА. Для указанных на схеме элементов напряжение стабилизации составляет Uвых=3.4 В, для его изменения вместо светодиода HL1 можно включить последовательно диоды КД522 (на каждом падение напряжения составляет 0.7 В: на транзисторах VT1, VT2 — 0,3 В). Входное напряжение данного стабилизатора (Uвх) не более 30 В. Должны применяться транзисторы с максимальным коэффициентом усиления.

3. Источники питания с разделительными конденсаторами

В микромощных источниках питания с гальванической связью с промышленной сетью обычно применяются т.н. разделительные конденсаторы, которые представляют собой не что иное, как шунтирующие сопротивления, включаемые последовательно в цепь питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает сопротивлением, которое зависит от частоты и называется реактивным. Емкость разделительного конденсатора (при условии применения в промышленной- сети ~220 В, 50 Гц) можно рассчитать по следующей формуле: Для примера: зарядное устройство для никель-кадмиевых аккумуляторов 12В емкостью 1 А/ч может быть запитано от сети через разделительный конденсатор. Для никель-кадмиевых аккумуляторов зарядный ток составляет 10% от номинала, т.е. 100 мА в нашем случае. Далее, учитывая падение напряжения на стабилизаторе порядка 3-5 В, получаем, что на входе зарядного устройства необходимо обеспечить напряжение ~18 В при рабочем токе 100 мА. Подставляя эти данные, получаем: по первой формуле:
Таким образом, выбираем С = 1,5 мкФ с удвоенным рабочим напряжением 500 В (могут применяться конденсаторы типов: МБМ, МГБП, МБТ). Полная схема зарядного устройства с разделительным конденсатором приведена на рис. 3.2-2. Устройство пригодно для зарядки аккумуляторов током не более 100 мА при напряжении заряда не более 15В. Подстроечным резистором R2 устанавливают необходимое значение напряжения заряда. R1 выполняет роль ограничителя тока в начале заряда, а выделяемое на нем напряжение подается на светодиод. По интенсивности свечения светодиода можно судить — насколько разряжена АКБ. При эксплуатации этого источника питания (и любых других ИП без гальванической развязки с сетью) необходимо помнить о мерах безопасности. Устройство и заряжаемая батарея все время находятся под потенциалом промышленной сети. В некоторых случаях такие ограничения делают невозможной нормальную эксплуатацию устройств, поэтому приходится обеспечивать гальваническую развязку ИП от сети. Маломощный источник питания с разделительным конденсатором , но с гальванической развязкой от промышленной сети можно изготовить на основе переходного трансформатора или реле магнитного пускателя, причем их рабочее напряжение может быть и ниже 220 В. На рис. 3.2-3 показана принципиальная схема такого источника питания. Емкость разделительного конденсатора рассчитывается с учетом параметров трансформатора (т.е., зная коэффициент трансформации. сначала рассчитывают напряжение, которое необходимо обеспечить на входе трансформатора, а затем, убедившись в допустимости такого напряжения для применяемого трансформатора, рассчитывают параметры конденсатора). Мощность, отдаваемая таким источником питания, вполне может питать квартирный звонок, приемник, аудиоплеер.

4. Линейные источники питания

В настоящее время традиционные линейные источники питания все больше вытесняются импульсными. Однако, несмотря на это, они продолжают оставаться весьма удобным и практичным решением в большинстве случаев радиолюбительского конструирования (иногда и в промышленных устройствах). Причин тому несколько: во-первых, линейные источники питания конструктивно достаточно просты и легко настраиваются, во-вторых, они не требуют применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они значительно надежнее импульсных ИП. Типичный линейный ИП содержит в своем составе: сетевой понижающий трансформатор, диодный мост с фильтром и стабилизатор, который преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора. Основным недостатком такой схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е. требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые для ИП в целом, например, для ИП мощностью 10 Вт требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.п.). Причиной этого является принцип по которому функционируют стабилизаторы линейных ИП. Он заключается в рассеивании на регулирующем элементе некоторой мощности Ppac = Iнагр * (Uвх — Uвых) .Из формулы следует, что чем больше разница между входным и выходным напряжением стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на регулирующем элементе. С другой стороны, чем более нестабильно входное напряжение стабилизатора, и чем больше оно зависит от изменения тока нагрузки, тем более высоким оно должно быть по отношению к выходному напряжению. Таким образом видно, что стабилизаторы линейных ИП функционируют в достаточно узких рамках допустимых входных напряжений, причем эти рамки еще сужаются при предъявлении жестких требований к КПД устройства. Зато достигаемые в линейных ИП степень стабилизации и подавление импульсных помех намного превосходят другие схемы. Рассмотрим несколько подробнее применяемые в линейных ИП стабилизаторы. Простейшие (т.н. параметрические) стабилизаторы основаны на использовании особенностей вольт-амперных характеристик некоторых полупроводниковых приборов — в основном, стабилитронов. Их отличает высокое выходное сопротивление. невысокий уровень стабилизации и низкий КПД. Такие стабилизаторы применяются только при малых нагрузках, обычно — как элементы схем (например, в качестве источников опорного напряжения). Примеры параметрических стабилизаторов и формулы для расчета приведены на рис. 3.3-1. Последовательные проходные линейные стабилизаторы отличаются следующими характеристиками: напряжение на нагрузке не зависит от входного напряжения и тока нагрузки, допускаются высокие значения тока нагрузки, обеспечивается высокий коэффициент стабилизации и малое выходное сопротивление. Структурная схема типового линейного стабилизатора представлена на рис. 3.3-2. Основной принцип на котором основана его работа — сравнение выходного напряжения с некоторым стабилизированным опорным напряжением и управление на основе результатов этого сравнения главным силовым элементом стабилизатора (на структурной схеме—т.н. проходной транзистор VT1, работающий в линейном режиме, но это может быть и группа компонентов), на котором и рассеивается избыточная мощность (см. приведенную выше формулу). В большинстве случаев радиолюбительского конструирования в качестве источников питания устройств могут применяться линейные ИП на основе микросхем линейных стабилизаторов серии К(КР)142. Они обладают очень хорошими параметрами, имеют встроенные цепи защиты от перегрузок, цепи термокомпенсации и т.п., легко доступны и просты в применении (большинство стабилизаторов этой серии полностью реализованы внутри ИС, которые(имеют всего три вывода). Однако при конструировании линейных ИП большой мощности (25-100 Вт) требуется более тонкий подход, а именно: применение специальных трансформаторов с броневыми сердечниками (имеющих больший КДП), прямое использование только интегральных стабилизаторов невозможно ввиду недостаточности их мощности, т.е. нужны дополнительные силовые компоненты и, как следствие, дополнительные цепочки защиты от перегрузки, перегрева и перенапряжения. Такие ИП выделяют много тепла, предполагают установку многих компонентов на больших радиаторах и, соответственно, достаточно габаритны; для достижения высокого коэффициента стабилизации выходного напряжения требуются специальные схемные решения.

5. Стабилизатор с током нагрузки до 5А

На рис. 3.3-3 приведена базовая схема для построения мощных стабилизаторов, обеспечивающих ток нагрузки до 5 А. чего вполне достаточно для запитывания большинства радиолюбительских конструкции. Схема выполнена с применением микросхемы стабилизатора серии КР142 и внешнего проходного транзистора. При малом токе потребления транзистор VT1 закрыт и работает только микросхема стабилизатора, но при увеличении потребляемого тока, напряжение, выделяемое на R2 и VD5, открывает транзистор VT1, и основная часть тока нагрузки начинает течь через его переход. Резистор R1 служит датчиком тока по перегрузке. Чем больше сопротивление R1, тем по меньшему току срабатывает защита (транзистор VT1 закрывается). Фильтрующий дроссель L1 служит для подавления пульсации переменного тока при максимальной нагрузке. По приведенной схеме можно собирать стабилизаторы на напряжение 5-15 В. Силовые диоды VD1-VD4 должны быть рассчитаны на ток не менее 10 А. Резистором R4 осуществляется точная подстройка выходного напряжения (базовое значение задается типом применяемой микросхемы стабилизатора серии КР142). Силовые элементы устанавливаются на радиаторы площадью не менее 200 см^2. Для примера, приведем расчет стабилизатора напряжения со следующими характеристиками:
Uвых — 12 В; Iнаг — 3 A; Uвх — 20 В. Выбираем стабилизатор напряжения 12 В в серии КР142 — КР142ЕН8Б. Выбираем проходной транзистор, способный рассеять максимальную мощность нагрузки Ррас = Uвх* Iнагр = 20 • 3 = 60 Вт (мощность транзистора желательно выбирать в 1.5-2 раза большей) — подходит распространенный КТ818А (Ррас = 100 Вт, Iк макс = 15 А). В качестве VD1-VD5 могут использоваться любые подходящие по току силовые диоды, например,КД202Д.

6. Импульсные источники питания

В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП (см. рис. 3.4-1): повышающая (выходное напряжение выше входного), понижающая (выходное напряжение ниже входного) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность). Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно. Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи). Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики. Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента — высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью). К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя «всем скопом» (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.

7. Эффективный импульсный стабилизатор низкого уровня сложности

На элементной базе, аналогичной применявшейся в описанном выше (рис. 3.3-3) линейном стабилизаторе, можно построить импульсный стабилизатор напряжения. При таких же характеристиках он будет обладать значительно меньшими габаритами и лучшим тепловым режимом. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рис. 3.4-2. Стабилизатор собран по типовой схеме с понижением напряжения (рис. 3.4-1а). При первом включении, когда конденсатор С4 разряжен и к выходу подключена достаточно мощная нагрузка, ток протекает через ИС линейного стабилизатора DA1. Вызванное этим током падение напряжения на R1 отпирает ключевой транзистор VT1, который тут-же входит в режим насыщения, так как индуктивное сопротивление L1 велико и через транзистор протекает достаточно большой ток. Падение напряжения на R5 открывает основной ключевой элемент — транзистор VT2. Ток. нарастающий в L1, заряжает С4, при этом через обратную связь на R8 происходит запирание стабилизатора и ключевого транзистора. Энергия , запасенная в катушке, питает нагрузку. Когда напряжение на С4 падает ниже напряжения стабилизации, открывается DA1 и ключевой транзистор. Цикл повторяется с частотой 20-30 кГц. Цепь R3, R4, С2 задаст уровень выходного напряжения. Его можно плавно регулировать в небольших пределах, от Ucт DA1 до Uвх. Однако если Uвых поднять близко к Uвх, появляется некото рая нестабильность при максимальной нагрузке и повышенный уровень пульсации. Для подавления высокочастотных пульсации на выходе стабилизатора включен фильтр L2, С5. Схема достаточно проста и максимально эффективна для данного уровня сложности. Все силовые элементы VT1, VT2, VD1, DA1 снабжаются небольшими радиаторами. Входное напряжение нс должно превышать 30 В. что является максимальным для стабилизаторов КР142ЕН8. Выпрямительные диоды применять на ток не менее 3 А.

8. Устройство бесперебойного питания на основе импульсного стабилизатора

На рис. 3.4-3 предлагается к рассмотрению устройство для бесперебойного питания систем охраны и видеонаблюдения на основе импульсного стабилизатора, совмещенного с зарядным устройством. В стабилизатор введены системы защиты от перегрузки, перегрева, бросков напряжения на выходе, короткого замыкания. Стабилизатор имеет следующие параметры:
• Входное напряжение, Uвx — 20-30 В
• Выходное стабилизированное напряжение, Uвыx-12B
• Номинальный ток нагрузки, Iнагр ном —5А;
• Ток срабатывания системы защиты от перегрузки, Iзащ — 7А;
• Напряжение срабатывания системы защиты от перенапряжения, Uвых защ — 13 В;
• Максимальный ток зарядки АКБ, Iзар акб макс — 0,7 А;
• Уровень пульсации. Uпульс — 100 мВ
• Температура срабатывания системы защиты от перегрева, Тзащ — 120 С;
• Скорость переключения на питание от АКБ, tперекл — 10мс (реле РЭС-б РФО.452.112). Принцип работы импульсного стабилизатора в описываемом устройстве такой же, как и у стабилизатора, представленного выше. Устройство дополнено зарядным устройством, выполненным на элементах DA2,R7, R8, R9, R10, VD2, С7. ИС стабилизатора напряжения DA2 с делителем тока на R7. R8 ограничивает максимальный начальный ток заряда, делитель R9, R10 задает выходное напряжение заряда, диод VD2 защищает АКБ от саморазряда при отсутствии напряжения питания. Защита от перегрева использует в качестве датчика температуры терморезистор R16. При срабатывании защиты включается звуковой сигнализатор, собранный на ИС DD 1 и, одновременно, нагрузка отключается от стабилизатора, переходя на питание от АКБ. Терморезистор монтируют на радиаторе транзистора VT1. Точная подстройка уровня срабатывания температурной защиты осуществляется сопротивлением R18. Датчик напряжения собран на делителе R13,R15. сопротивлением R15 устанавливают точный уровень срабатывания защиты от перенапряжения (13 В). При превышении напряжения на выходе стабилизатора (в случае выхода последнего из строя) реле S1 отключает нагрузку от стабилизатора и подключает ее к АКБ. В случае отключения питающего напряжения, реле S1 переходит в состояние «по умолчанию»- т.е. подключает нагрузку на АКБ. Приведенная здесь схема не имеет электронной защиты от короткого замыкания для АКБ. эту роль выполняет плавкий предохранитель в цепи питания нагрузки, рассчитанный на максимальный потребляемый ток.

9. Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя

Достаточно часто при конструировании устройств возникают жесткие требования к размерам источника питания. В этом случае единственным выходом является применение ИП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей. которые подключаются к сети ~220 В без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче. Структурная схема типового импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети представлена на рис 34-4. Входной фильтр предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Силовые ключи обеспечивают подачу импульсов высокого напряжения на первичную обмотку высокочастотного трансформатора (могут применяться одно- и двухтактные схемы). Частота и длительность импульсов задаются управляемым генератором (обычно применяется управление шириной импульсов, реже — частотой). В отличие от трансформаторов синусоидального сигнала низкой частоты, в импульсных ИП применяются широкополосные устройства, обеспечивающие эффективную передачу мощности на сигналах с быстрыми фронтами. Это накладывает существенные требования на тип применяемого магнитопровода и конструкцию трансформатора. С другой стороны, с увеличением частоты требуемые размеры трансформатора (с сохранением передаваемой мощности) уменьшаются (современные материалы позволяют строить мощные трансформаторы с приемлемым КПД на частоты до 100-400 кГц). Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением и затем управляет генератором. Обратите внимание на наличие гальванической развязки в цепи обратной связи, что необходимо, если мы хотим обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

При изготовлении таких ИП возникают серьезные требования к применяемым компонентам (что повышает их стоимость по сравнению с традиционными). Во-первых, это касается рабочего напряжения диодов выпрямителя, конденсаторов фильтра и ключевых транзисторов, которое не должно быть менее 350 В во избежание пробоев. Во-вторых, должны применяться высокочастотные ключевые транзисторы (рабочая частота 20-100 кГц) и специальные керамические конденсаторы (обычные оксидные электролиты на высоких частотах будут перегреваться ввиду их высокой индуктивности). И. в-третьих, частота насыщения высокочастотного трансформатора, определяемая типом применяемого магнитопро вода (как правило, используются тороидальные сердечники) должна быть значительно выше рабочей частоты преобразователя. На рис. 3.4-5 приведена принципиальная схема классического ИП на основе высокочастотного преобразователя. Фильтр, состоящий из емкостей С1, С2, СЗ и дросселей L1, L2, служит для зашиты питающей сети от высокочастотных помех со стороны преобразователя. Генератор построен по автоколебательной схеме и совмещен с ключевым каскадом. Ключевые транзисторы VT1 и VT2 работают в противофазе, открываясь и закрываясь по очереди. Запуск генератора и надежную работу обеспечивает транзистор VT3, работающий в режиме лавинного пробоя. При нарастании напряжения на С6 через R3 транзистор открывается и конденсатор разряжается на базу VT2, запуская работу генератора. Напряжение обратной связи снимается с дополнительной (III) обмотки силового трансформатора Tpl. Транзисторы VT1. VT2 устанавливают на пластинчатые радиаторы не менее 100 см^2. Диоды VD2-VD5 с барьером Шоттки ставятся на небольшой радиатор 5 см^2. Данные дросселей и трансформаторов:L1-1. L2 наматывают на кольцах из феррита 2000НМ К12х8х3 в два провода проводом ПЭЛШО 0,25: 20 витков. ТР1 — на двух кольцах, сложенных вместе, феррит 2000НН КЗ 1х18.5х7; обмотка 1 — 82 витка проводом ПЭВ-2 0,5: обмотка II — 25+25 витков проводом ПЭВ-2 1,0: обмотка III — 2 витка проводом ПЭВ-2 0.3. ТР2 наматывают на кольце из феррита 2000НН К10х6х5. все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2 0.3: обмотка 1 — 10 витков: обмотки II и III — по 6 витков, обе обмотки (II и III) намотаны так, что занимают на кольце по 50% площади не касаясь и не перекрывая друг друга, обмотка I намотана равномерно по всему кольцу и изолирована слоем лакоткани. Катушки фильтра выпрямителя L3, L4 наматывают на феррите 2000НМ К 12х8х3 проводом ПЭВ-2 1,0 , количество витков — 30. В качестве ключевых транзисторов VT1, VT2 могут применяться КТ809А. КТ812, КТ841. Номиналы элементов и намоточные данные трансформаторов приведены для выходного напряжения 35 В. В случае, когда требуются иные рабочие значения параметров, следует соответству ющим образом изменить количество витков в обмотке 2 Тр1. Описанная схема имеет существенные недостатки, обусловленные стремлением предельно уменьшить количество применяемых компонентов Это и низкий «уровень стабилизации выходного напряжения, и нестабильная ненадежная работа, и низкий выходной ток. Однако она вполне пригодна для питания простейших конструкций разной мощности (при применении соответствующих компонентов), таких как: калькуляторы. АОНы. осветительные приборы и т.п. Еще одна схема ИП на основе высокочастотного импульсного преобразователя приведена на рис. 3.4-6. Основным отличием этой схемы от стандартной структуры, представленной на рис. 3 .4-4 является отсутствие цепи обратной связи. В связи с этим, стабильность напряжения на выходных обмотках ВЧ трансформатора Тр2 достаточно низкая и требуется применение вторичных стабилизаторов (в схеме используются универсальные интегральные стабилизаторы на ИС серии КР142).

10. Импульсным стабилизатор с ключевым МДП-транзистором со считыванием тока.

Миниатюризации и повышению КПД при разработке и конструировании импульсных источников питания способствует применение нового класса полупроводниковых инверторов — МДП-транзисторов, а также: мощных диодов с быстрым обратным восстановлением, диодов Шоттки, сверхбыстродействующих диодов, полевых транзисторов с изолированным затвором, интегральных схем управления ключевыми элементами. Все эти элементы доступны на отечественном рынке и могут использоваться в конструировании высокоэффективных источников питания, преобразователей, систем зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), систем запуска ламп дневного света (ЛДС). Большой интерес у разработчиков также может вызвать класс силовых приборов под названием HEXSense — МДП-транзисторы со считыванием тока. Они являются идеальными переключающими элементами для импульсных источников питания с готовым управлением. Возможность считывать ток ключевого транзистора может быть использована в импульсных ИП для обратной связи по току, требуемой для контроллера широтно-импульсной модуляции. Этим достигается упрощение конструкции источника питания — исключение из него токовых резисторов и трансформаторов. На рис. 3.4-7 приведена схема импульсного источника питания мощностью 230 Вт. Его основные рабочие характеристики следующие: • Входное напряжение:-110 В 60Гц
• Выходное напряжение: 48 В постоянное
• Ток нагрузки: 4.8 А
• Частота переключения: 110 кГц
• КПДпри полной нагрузке: 78%;
• КПД при нагрузке 1/3: 83%. Схема построена на базе широтно-импульсного модулятора (ШИМ) с высокочастотным преобразователем на выходе. Принцип работы состоит в следующем. Сигнал управления ключевым транзистором поступает с выхода 6 ШИМ контроллера DA1, коэффициент заполнения ограничивается 50% резистором R4, R4 и СЗ являются времязадающи ми элементами генератора. Питание DA1 обеспечивается цепочкой VD5, С5, С6, R6. Резистор R6 предназначен для подачи питающего напряжения во время запуска генератора, в последующем задей ствуется обратная связь по напряжению через LI, VD5. Эта обратная связь получается от дополнительной обмотки выходного дросселя, которая работает в режиме обратного хода. Помимо питания генератора, напряжение обратной связи через цепочку VD4, Cl, Rl, R2 подается на вход обратной связи по напряжению DA1 (выв.2). Через R3 и С2 обеспечивается компенсация, которая гарантирует стабильность петли обратной связи. В качестве ключевого элемента VT2 используется МДП-транзистор со считыванием тока IRC830 фирмы International Rectifier. Сигнал считывания тока подается от VT2 на вывод 3 DA1. Уровень напряжения на выводе считывания тока задается резистором R7 и пропорционален току стока, С9 подавляет выбросы на переднем фронте импульса тока стока, которые могут вызвать преждевременное срабатывание контроллера. VT1 и R5 используются для задания необходимого закона управления. Обратите внимание, что ток считывания возвращается в кристалл на вывод истока. Это делается для того. чтобы избежать ошибки считывания тока, которая может возникнуть из-за падения напряжения на паразитном сопротивлении вывода истока. На базе данной схемы возможно построение импульсных стабилизаторов и с другими выходными параметрами.

11. Современные газоразрядные приборы

Примерно 25% электроэнергии, вырабатываемой в мире, расходуется системами искусственного освещения, чтo делает эту область чрезвычайно привлекательной для приложения сил в области повышения эффективности использования и сокращения потребления электроэнергии. В настоящее время наиболее распространенными экономичными источниками света являются газоразрядные лампы, которые все чаще применяются вместо обычных ламп накаливания. Принцип действия таких ламп заключается в люминесцентном свечении заключенного внутри лампы газа при протекании через него тока (осуществлении высоковольтного пробоя), что обеспечивается подачей высокого напряжения на электроды лампы. Газоразрядные лампы можно разделить на два вида, первый — это лампы высокой интенсивности свечения, среди которых наиболее распространены: ртутные лампы, натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы, второй вид — это люминесцентные лампы низкого давления. Лампы низкого давления используются для освещения в большинстве случаев повседневной жизни — в административных зданиях, офисах, жилых домах: их отличает насыщенный белый свет. близкий к дневному (отсюда название — «лампы дневного света»). Лампы высокого давления используются для внешнего освещения — в уличных фонарях, прожекторах и т.п. Если обычная лампа накаливания, когда она включена, представляет собой постоянную резистивную нагрузку, то все газоразрядные лампы имеют отрицательные импедансные характеристики. которые требуют стабилизации тока. Кроме того, необходимо учитывать такие моменты как: резонансный режим работы, защита при выходе лампы из строя; высоковольтное зажигание, специальное управление силовой шиной. Основной режим, соблюдение которого необходимо люминисцентной лампе на протяжении всего срока эксплуатации — это токовый режим (в идеале, необходима стабилизация мощности на протяжении всего периода эксплуатации лампы). Как правило, лампы питаются от переменного напряжения для уравнивания износа электродов (в случае питания постоянным напряжением, срок службы короче на 50%).

12. Магнитный и электронный балласты

Для управления газоразрядными лампами традиционно использовался т.н. магнитный балласт (см. схему на рис. 3.5-1), однако ввиду его неэффективности и ненадежности, в последнее время все большее распространение получают схемы электронного управления — электронный балласт, который позволяет значительно повысить КПД и срок службы осветительных систем, сделать свет более ровным и естественным для глаз. Базовая схема электронного балласта с последовательным резонансом приведена на рис. 3.5-2. Применяя электронные бал-ласты, можно управлять лампами любой мощности, в схему можно встраивать любые дополнительные устройства (например, фотореле, включающее освещение в сумерках и выключающее на рассвете).

13. Схема управления для лампы дневного света мощностью до 40Вт

Для управления лампой дневного света (ЛДС) мощностью до 40 Вт предназначена схема, приведенная на рис. 3.5-3. Напряжение питания ~220 В подается на входы L1 и L2. Выпрямленное диодами VD1 -VD4 постоянное напряжение составляет порядка 320 В. Конденсаторы С1 и С2 работают как емкостный входной фильтр. Возможно использование и сети ~110В, в этом случае питание подается на входы L1 (L2) и N. а диоды VD1. VD3 (VD2, VD4) с конденсаторами С1 и С2 работают как однопо лупериодный удвоитель напряжения. DA1 (IR2151) — это схема управления МДП-транзистора ми с внутренним генератором, который работает прямо от шины питания через R1. Внутренний стабилизатор фиксирует напряжение питания на уровне 15 В. Предусмотрена блокировка затворов при падении напряжения питания ниже 9 В. При номинальном постоянном напряжении шины питания 230 В выходной прямоугольный импульс имеет эффективное напряжение 160 В, а частота устанавливается подбором R2 и С4 для приближения к резонансной частоте лампы. Лампа работает в своей последовательной резонансной схеме, состоящей из последовательно включенной катушки индуктивности L1 и шунтирующего конденсатора С6, который стоит параллельно термистору с положительным температурным коэффициентом. Термистор (для этих целей может также использоваться неоновая лампочка) имеет малое сопротивление в холодном состоянии и очень высокое в горячем, когда нагревается благодаря протекающему через него току. Назначение термистора — обеспечить плавное нарастание напряжения на электродах лампы при включении. В случаях, когда лампа горит постоянно или очень редко включается/выключается, термистор можно убрать. В этом случае лампа включается мгновенно, что может привести к ее быстрому износу.

14. Сверхминиатюрная схема управления для лампы дневного света мощностью до 26Вт

Следующая принципиальная схема, приведенная на рис. 3.5-4, позволяет управлять лампой дневного света (ЛДС), имея при этом сверхминиатюрные размеры, так как в ней не применяются силовые инверторы (ИС IR51H420 объединяет в одном корпусе ИС IR2151 и МДП-ключи). Максимальная мощность лампы в этом случае не должна превышать 26 Вт, чего вполне достаточно для освещения одного рабочего места.

15. Повышающие преобразователи и умножители напряжения

Обычно, если в конструкции имеется сетевое питание, для получения всех питающих напряжении используют трансформаторы. Повышающие преобразователи и умножители напряжения применяются, когда необходимо получить напряжения большие, чем напряжения питания в носимых устройствах, питаемых от батарей или аккумуляторов. Преобразователи малой мощности (до 100-200 мВт) можно собрать на дискретных элементах без применения трансформаторов, в преобразователях большой мощности трансформатор необходим. Для получения удвоенного или утроенного напряжения можно пользоваться т.н. умножителями напряжения (см. главу 2).

16. Бестрансформаторный удвоитель напряжения для малогабаритных устройств

На рис. 3.6-1 приведена схема преобразователя напряжения 9 В -> 18В для устройств, потребляющих не более 100 мА при напряжении питания 18В. Преобразователь приведен в составе практической схемы сирены для систем охраны и сигнализации. Генератор управления выполнен по типовой схеме. На выходе D 1.2 формируются прямоугольные импульсы с частотой 1 Гц. Импульсы поступают на управляемый генератор Dl.3, D1.4 и цепочку из R3, R2, С2, которая влияет на глубину модуляции. R4, R5, СЗ, С4 подбираются в соответствии с резонансной частотой пьезо керамического излучателя В 1 в пределах 1,5-3 кГц. Для повышения амплитуды на пьезокристалле в схему введен умножитель. Сигнал с выхода DD1.4 поступает на комплементарную пару VT5, VT6 и далее на умножитель VD3, VD4, С5, Сб. Напряжение на С6 при токе нагрузки 50 мА и основном питании 9 В составляет порядка 16 В. Мощность умножителя можно несколько увеличить, применив емкости большего номинала. Схему можно питать напряжением 6-15 В (15 В — максимум для ИС серии 561), в случае 15 В питания, напряжение на выходе умножителя будет составлять нс менее 25 В при нагрузке 80 мА. В данной конструкции амплитуда на кристалле пьезоэлемен та будет учетверенной, учитывая то, что он включен в противофа-зе, относительно плеч транзисторов VT1, VT3. В качестве излучателя используется специально для этих целей разработанная керамическая пластина с двухсторонним покрытием, так называемый триморф с диаметром кристалла 32 мм.

17. Мощный преобразователь для питания бытовых электроприборов

На рис. 3.6-2 приведена принципиальная схема мощного преобразователя для питания бытовых электроприборов (телевизор, дрель, электронасос и т.д.) от автомобильного аккумулятора. Преобразователь обеспечивает выходное напряжение 220 В, 50 Гц на нагрузке мощностью до 100 Вт. При максимальной нагрузке потребляемый от аккумулятора ток не превышает 10 А. Количество деталей в устройстве сведено к минимуму. На микросхеме DD1.1 собран задающий генератор с частотой 100 Гц. Точную настройку частоты (что важно для нормальной работы аппаратуры) осуществляют резисторами R1 и R2. Деление частоты на 2 и управление транзисторами обеспечиваются второй половиной микросхемы — D1.2. Транзисторы VT1, VT2 включены для обеспечения нормального режима работы выходов DD1.2 при максимальном токе нагрузки. Выходные транзисторы VT3, VT4 устанавливаются на радиаторы, площадь которых не менее 350 см^2. Для сглаживания прямоугольных фронтов предназначен конденсатор СЗ, который вместе с выходной обмоткой и нагрузкой образует резонансную систему. Его емкость сильно зависит от характера нагрузки. Трансформатор ТР1 выполнен на магнитопроводе марки ШЛМ или ПЛМ габаритной мощности 100 Вт. Обмотки I и II содержат по 17 витков провода ПЭВ-2 2,0мм, обмотка III содержит 750 витков провода ПЭВ-2 0,7мм. Данную схему очень легко переработать под высокочастотный преобразователь напряжения (частота преобразования ~25 кГц). Для этого достаточно поднять частоту задающего генератора на D1.1 до -50 кГц, изменив емкости С1 и С2 на 180 пФ, и заменить ТР1 на высокочастотный трансформатор. Мощность преобразователя зависит от нагрузки выходных транзисторов, максимальный ток, который они могут дать нс должен превышать 8А в плече. Для увеличения тока уменьшается количество витков трансформатора в 1 и II обмотках до 8-10. На выходе преобразователя устанавливается диодный мост и ВЧ-фильтр, применяемые в них компоненты должны обеспечивать нормальную работу на частоте 25 кГц.

18. Защита от превышения сетевого напряжения

В промышленной и бытовой сети довольно часто можно зафиксировать непредвиденные броски напряжения, при этом напряжение в сети может превышать номинальное на 20-40%. Такие броски условно можно разделить на два класса: 1. Кратковременные — увеличение амплитуды в течение нескольких периодов. 2. Длительные — увеличение напряжения в течение нескольких секунд или минут. Первые можно отнести скорее к импульсным помехам, что связано с коммутацией на линии каких-то мощных нагрузок (сварочные аппараты, двигатели, нагревательные элементы). Они, несомненно, оказывают влияние на бытовую технику и, особенно, на чувствительные элементы источников питания телевизоров, аудиоцентров. которые часто находятся в дежурном режиме круглые сутки.

19. Устройство защиты от импульсных помех в сети

Устройство, защищающее от импульсных помех, показано на рис. 3.7-1. Схема состоит из следующих узлов:
• источник питания — VD1-VD4, R6, R7, VD5, VD7,Cl, C2;
• датчик-компаратор — Rl, R2, R3, R4, R5, HL1, VD8, DA1, R8, R9;
• формирователь сброса с задержкой по выключению — VD9, R10, DD1.1,DD1.2, VD10, R11, СЗ;
• генератор импульсов высокой частоты 25 кГц для управления симмистором—DD 1.3, DD1.4, R 12, R 13, С4, С5, R14, ТР1, VS1.
• звуковой сигнализатор (выполняется по желанию)— R14, R15, C6,C7,HA1,DD2. Источник питания вырабатывает два напряжения: +24 В — для питания импульсного трансформатора, +5 В — для питания ИС устройства. Узел контроля напряжения собран на Rl, R2, R3. С делителя напряжение поступает на вход компаратора. Уровень срабатывания по превышению напряжения устанавливается резистором R2 (положение движка подбирается таким образом, чтобы компаратор был на грани срабатывания при 245 В на входе). При превышении на входе компаратора заданного амплитудного значения он переключается и на выходе появляются прямоугольные импульсы с частотой 25 Гц. В исходном состоянии на выходе D1.2 поддерживается высокий логический уровень, разрешающий работу генератора управления симмистором (для поддержания его в открытом состоянии). Транзистор VT1 управляет импульсным трансформатором. формирующим мощные импульсы напряжения открывают. Частота генератора выбрана равной 25 кГц для скорейшего отпирания силового ключа в моменты перехода через «нуль» (если частота управления будет недостаточной, может случиться так, что когда во время включения появятся высоковольтные выбросы и будет искажена форма синусоидального сигнала, система не успеет среагировать и искаженный сигнал поступит на нагрузку). Дифференцирующая цепочка на элементах D1.1 и D1.2 осуществляет запрет работы генератора при поступлении низкого уровня с выхода компаратора (при повышении порогового напряжения в сети) и с задержкой в 9с разрешает запуск генератора, когда напряжение снизится до порогового значения 240 В. Импульсный трансформатор ТР1 намотан на матнитопроводе типоразмера К20х10х7,5 из феррита марки 2000НН и содержит: обмотка I — 100 витков, обмотка II — 40 витков провода ПЭЛШО-0,22. Обмотки изолируют от кольца слоем лакоткани и размещают на противоположных сторонах кольца. При мощности нагрузки более 300 Вт симмистор необходимо установить на радиатор.

Типы источников питания

Существуют различные типы источников питания. Большинство из них разработаны для преобразования переменного тока высокого напряжения (AC) в низкое напряжение постоянного тока (DC) для питания различных схем электроники и других устройств. Источники питания могут быть разбиты на несколько функциональных блоков, каждый из которых выполняет свою функцию.

Например, стабилизированный источник питания:

Каждый функциональный блок подробно описан на своих страницах:

• Трансформатор — преобразует (как правило понижает) напряжение сети до нужного напряжения источника питания;
• Выпрямитель — преобразует (выпрямляет) переменное напряжение с трансформатора в постоянное;
• Фильтр — сглаживает пульсации выпрямленного напряжения;
• Стабилизатор — стабилизирует выходное напряжение.

Типы источников питания, составленные из этих блоков, описаны далее. Так же показаны их принципиальные схемы с графиками выходного напряжения.

Трансформатор

Пониженное выходное напряжение трансформатора может быть применено для ламп накаливания, нагревательных элементов, электродвигателей переменного тока. Переменное напряжение не подходит для питания электрических схем, если только они не включают в своём составе выпрямитель и фильтр для сглаживания пульсаций.

Трансформатор -> выпрямитель

Постоянное пульсирующее напряжение подходит для питания ламп накаливания, нагревательных приборов, электродвигателей постоянного тока. Но не подходит для электронных схем, если те не содержат фильтр для сглаживания пульсаций напряжения.

Трансформатор -> выпрямитель -> фильтр

У выпрямленного и сглаженного постоянного напряжения видны только небольшие пульсации. Такое напряжение подходит для питания большинства электронных схем.

Трансформатор -> выпрямитель -> фильтр -> стабилизатор

Стабилизированное напряжение подходит абсолютно для всех электронных схем.

Двуxполярный источник питания

Двухполярный источник питания

Двухполярный источник питания — это особый тип источников питания. Некоторые электронные схемы требуют двухполярного питания с положительным и отрицательным напряжением. Такие источники называют двухполярными. Так же их называют двойным источником питания, потому что они похожи на два обычных источника, выходы которых соединены последовательно как показано на схеме. (На самом деле всё несколько сложнее.) Подробнее об этом можно почитать в статье Двухполярный блок питания.

Такие источники имеют три вывода на выходе. Например ±9В источник имеет выводы +9В, -9В и 0.