Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового
Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…
Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:
- встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;
- или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.
В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:
1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;
2. импульсных блоках питания.
Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.
Трансформаторные блоки питания
Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.
После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.
За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.
Импульсные блоки питания (ИБП)
Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:
- доступностью комплектования распространенной элементной базой;
- надежностью в исполнении;
- возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.
Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.
В состав основных деталей источников питания входят:
- сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;
- накопительная фильтрующая емкость;
- ключевой силовой транзистор;
- задающий генератор;
- схема обратной связи, выполненная на транзисторах;
- оптопара;
- импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;
- выпрямительные диоды выходной схемы;
- цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;
- фильтрующие конденсаторы;
- силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;
- выходные разъемы.
Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.
Как работает импульсный блок питания
Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.
Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.
Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:
1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;
2. без выполнения подобной развязки.
Импульсный блок питания с гальванической развязкой
В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.
Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.
В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:
2. каскад из силовых ключей;
3. импульсный трансформатор.
Как работает ШИМ-контроллер
Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.
Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.
Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.
Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.
В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.
Работа каскада из силовых ключей
Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.
Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:
- мостовой;
- полумостовой;
- со средней точкой.
Импульсный трансформатор
Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.
Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.
Импульсные блоки питания без гальванической развязки
В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.
Особенности стабилизации выходного напряжения
Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.
Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:
1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;
2. применения оптрона.
В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.
При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.
Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми
При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:
1. уменьшенный вес;
2. повышенный КПД;
3. меньшая стоимость;
4. расширенный диапазон питающих напряжений;
5. наличие встроенных защит.
1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.
За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.
2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.
В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.
3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.
4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.
5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.
У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:
- маломощных цепей управления сложной бытовой техники;
- слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).
Недостатки импульсных блоков питания
В/ч помехи
Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.
В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.
Ограничения по мощности
Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.
- Однофазный асинхронный двигатель: как устроен и работает
- Как устроен и работает плазменный сварочный аппарат
- Как устроены люстры с дистанционным управлением
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрические приборы и устройства
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Switching vs Linear Power Supply: What’s the difference
DC power supplies are available in switch-mode (also known as switching) or linear configurations of which switching power supply is preferred in modern-day electronics due to their low cost, compact design, and improved efficiency.
Different electronic devices that we use in everyday life, such as smartphones, LED lights, computers, and robots use different electronic circuits and processors for their operation. The utility supplies AC to different households and industries in order to transfer power efficiently over long distances. A stable DC power supply can be obtained using electronic circuits that can be internal or external in nature. Smartphones and laptops power external power supplies, while devices like computers, robots, and servers have power supplies integrated within them.
Power supplies can be regulated or unregulated, wherein in regulated power supplies, changes in the input voltage profile do not affect the output of the power supply. On the other hand, in an unregulated power supply, the output depends on the input.
To illustrate the general structure of a DC power supply we can consider it to consist of four basic blocks. Each block represents a particular function that is performed. The basic blocks are described below:
- Transformer: Since the input supply to the transformer is AC, the transformer converts high voltage AC into low voltage AC or converts a low voltage AC to high voltage AC. The transformer also acts as an isolator preventing high-frequency signals from going into the input side.
- Rectification — This is the process of conversion of AC to DC. Switching converters are used to rectify the voltage. The output of the rectifier circuit is DC along with ripples. These ripples need to filter out before connecting them to the load.
- Filter — The rippled DC output of the rectifier is filtered out using filter circuits. These filter circuits are generally capacitors connected in parallel with the load.
- Voltage regulator — These devices are used to regulate the voltage with certain limits as desired by the load that is connected.
DC power supplies are available in switch-mode (also known as switching) or linear configurations. While both types provide DC power, the method by which this power is generated differs. Each type of power supply has advantages over the other depending on the application. Let’s take a look at the differences between these two technologies, as well as the benefits and drawbacks of each design.
What is a linear power supply?
Linear power supplies, also known as series power supplies, are low-frequency power supplies that do not use any switching component in their conversion process. Due to the low frequency of operation, the transformers used are bulkier as compared to switching mode power supplies.
Linear Power Supply
How does it work?
In a linear power supply, an alternating current transformer with an iron core and coil is used first to reduce the voltage of the incoming alternating current (AC). The voltage is then rectified by a diode in a rectifier circuit and smoothed to a stable voltage by a capacitor in a smoothing circuit.
The rectifier circuit produces a series of positive peaks of a sine wave, which is not a stable Direct current. As a result, the voltage is converted to a constant level via a smoothing circuit comprised of a capacitor, followed by a stabilizing circuit (control circuit). Control circuits are classified into two types– shunt and series. To maintain a constant output DC voltage, both methods monitor and control it.
Preferred Applications
A linear power supply requires a dedicated AC power transformer depending upon the input/output voltage and power demand. Each device has a fixed power demand and hence each application requires a dedicated transformer.
A linear power supply is resistant to noise and electromagnetic interference and also does not cause RF interference with other devices. They also have a faster response as compared to switching power supply. Hence, they are used in audio frequency, RF applications, and places where excellent regulation and low-ripple output are required. Some of the common applications are mentioned below.
- Low noise amplifiers
- Signal processing
- Data acquisition — including sensors, multiplexers, A/D converters, and sample & hold circuits.
- Automatic test equipment
- Laboratory test equipment
Advantages & Disadvantages
The benefits of linear mode power supplies include simplicity, reliability, low noise levels, and low cost. A linear power supply has simple construction and design making them less complex as compared to a switching power supply. The simple design makes it easier to operate and maintain. The relatively simpler construction also prevents chances of failure making them more reliable. Linear power supply is resistant to EM interference and does not cause RF interference to other devices, making them ideal for high-frequency operations.
Along with the numerous advantages of linear power supply, there are some disadvantages. Because linear regulators are ideal for low-power applications, the disadvantages are understood when higher power is required. When compared to a switch-mode power supply, the disadvantages of a linear power supply include size, high heat loss, and lower efficiency levels. When used in a high-power application, linear power supply units require a large transformer and other large components to handle the power as the frequency of operation is low. Using larger components increases the overall size and weight of the power supply, which can make weight distribution within a given application difficult. It also makes the power supply bulky and less portable. High heat losses occur while regulating a high power demand by the load, this makes the process inefficient.
What is a switching power supply?
A switching power supply is designed using a different technique, developed to address many of the issues associated with linear power supply design, such as transformer size and voltage regulation. The input voltage is not reduced by switching power supply designs; instead, it is rectified and filtered at the input. The voltage is then passed through a chopper, which transforms it into a high-frequency pulse train. Before reaching the output, the voltage is filtered and rectified once more. The transformation into a high-frequency pulse train helps reduce the size of components, making the device smaller and more compact in nature.
Switching Power Supply
How does it work?
In contrast to linear power supply, switching power supply includes rectification and smoothing before voltage regulation. Using a switching device for the previously rectified current, the low-frequency AC at the input is transformed into a high-frequency pulse wave. The rectified high-frequency current is treated as a pseudo alternating current (AC) which is fed into a high-frequency transformer reduction in voltage as per load requirements. The output is then filtered and the voltage is regulated generally using feedback from the output to the high-frequency transformer.
Preferred Applications
Switching power supplies have a compact design and are more efficient as compared to linear power supplies making them suitable for applications that require higher efficiency and have to be compact in nature. They are widely used as a source of power for mobile phones, computers, servers, and even LED lights. Some devices have them integrated within their body while others have them externally placed. They have also been used in vehicles and security systems.
Advantages & Disadvantages
Unlike linear power supply, the switching transistors in switch mode supply continually switch between full-on and full-off states and spend very little time in the high dissipation state during transitions, which minimizes wasted energy. This reduces the heat generated by wastage of energy and hence increases efficiency. Another major advantage of switching power supply is the compact size because of the smaller transformer size. This makes the device portable and easy to install.
On the other hand, the design and manufacturing of switching power supply are complex which makes debugging and maintenance difficult as compared to linear supply. This power supply also injects harmonics into the system which can adversely affect other connected devices. The effect of noise and electromagnetic interference is quite significant, thus EMI filters are required for them to operate efficiently.
Linear vs switching power supply
Linear and switching power supplies have their own advantages and disadvantages and are used in specific applications depending on various factors as discussed before in the article. The table below shows the differences between linear and switching power supplies.
| Parameters | Linear Power Supply | Switching Power Supply |
| Definition | It completes the stepping down of AC voltage first then it converts it into DC. | It converts the input signal into DC first then it steps down the voltage up to the desired level. |
| Voltage Regulation | Voltage regulation is done by the voltage regulator. | Voltage regulation is done by a feedback circuit. |
| Efficiency | Low efficiency | High-efficiency |
| Magnetic material used | Stalloy or CRGO core is used | Ferrite core is used |
| Reliability | More reliable in comparison to SMPS in specific applications. | The reliability depends on the transistors used for switching. |
| RF interference | No RF interference | RF shielding is required as switching produces more RF interference. |
| Noise and Electromagnetic Interference | They are immune to noise and electromagnetic interference. | The effect of noise and electromagnetic interference is quite significant; thus EMI filters are required. |
| Complexity | Less complex | More complex |
| Applications | Used in audio frequency and RF applications. | Used in chargers of mobile phones, DC motors, etc. |
Key Takeaways
- There are two common power supply designs– Linear and Switching power supply used for a wide range of applications, including RF, computer, audio, smartphones, etc.
- The linear power supply is designed for low noise and there is no high-frequency switching to be used where regulation and low ripple are required along with low electromagnetic emissions and transient response.
- The switching power supply is designed for high efficiency and small size that converts electrical power efficiently. The power supply regulates the output voltage through the process of pulse width modulation with various available topologies, including buck, boost, forward converter, half-bridge rectifier, or flyback depending on the output power requirements.
- In modern-day electronics and electrical appliances, switching power supply is preferred due to their low cost, compact design, and improved efficiency.
Что такое импульсный блок питания и для чего он нужен?
Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки) .
В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения) , изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.
Подробнее о достоинствах и недостатках — смотри по ссылке.
Источник: http://ru.wikipedia.org/wiki/Вторичный_источник_электропитания
Остальные ответы
В твоём компе стоит импульсник. Назначение—питание аппаратуры
Это простой блок питания только работающий на высоких частотах. Это позволяет уменьшить масса-габаритные характеристики трансформатора.
Блок питания работающий на частоте сети в 50-60 Гц и импульсный блок питания равнозначны.
ИМПУЛЬСНЫЕ БЛОКИ ПИТАНИЯ SMPS
В последние годы происходит повсеместная замена обычных трансформаторных источников питания современными импульсными блоками питания (далее именуемые SMPS – Switching Mode Power Supply).
При проектировании импульсных трансформаторов использовались следующие требования:
- высокая производительность
- небольшие размеры
- минимальное рабочее напряжение
- низкая частота сбоев
- низкий ток холостого хода
Теория импульсных блоков питания
В обычных источниках питания изменение напряжения и гальваническая развязка выполнялись на трансформаторе со стальным сердечником, работающим на частоте 50 Гц, полупроводниковым выпрямителем и линейным стабилизатором напряжения.
Однако КПД этой схемы очень низкий (не превышает 50%), большая часть мощности преобразуется в тепло в трансформаторе, диоде и аналоговом стабилизаторе. Большая номинальная выходная мощность требует наличия сетевого трансформатора повышенного размера и большой потери тепла. Этого неудобства можно избежать, увеличив рабочую частоту до нескольких сотен кГц и заменив регулятор напряжения электронным ключом с интеллектуальным управлением. Их задача – преобразовать сетевое напряжение в постоянное, а затем в выпрямленное напряжение, выполняемое быстрым переключением транзисторов. В результате получается высокочастотное прямоугольное напряжение, которое преобразуется импульсным трансформатором и выпрямителем.
Стабилизация выходной мощности достигается изменением ширины импульса при постоянной частоте или включением переключения в определенные периоды времени в зависимости от нагрузки схемы. Наиболее важные преимущества SMPS, сравнимые с обычными блоками питания:
- малый вес, уменьшенный объем, повышенная эффективность
- малая емкость фильтрующих конденсаторов для высоких частот переключения
- отсутствие слышимых помех из-за того, что частота переключения находится за пределами слышимого диапазона
- простое управление различными выходными напряжениями
- легко снижать высокое сетевое напряжение
С развитием мощных транзисторов с быстрой коммутацией для высоких частот, стало возможным использовать ИИП, работающие на частотах до 1 МГц. С помощью этого типа резонансных трансформаторов рабочие частоты могут быть увеличены даже до 3 МГц. Тем не менее, эти преимущества уменьшаются из-за нежелательного высокочастотного излучения, а также из-за более низкой скорости реакции на возможные изменения нагрузки.
Правда доступность новых магнитных материалов для трансформаторов, работающих в диапазоне частот примерно до 1 МГц, а также достижения в области источников питания стимулировали разработку новых высокочастотных сердечников трансформаторов.
Эта тенденция привела к разработке новых ферритов Mn-Zn с очень мелкой структурой зерен и материалов с уменьшенными гистерезисными потерями, что позволяет передавать мощность в диапазоне от 1 до 3 МГц. Высокие рабочие частоты приводят к дальнейшему уменьшению размеров ядер и, следовательно, всего блока питания. Новый принцип конструкции в планарной технологии позволяет изготавливать высокочастотные трансформаторы с кардинально уменьшенными размерами (плоские трансформаторы, низкопрофильные трансформаторы). Эта технология оказывает сильное влияние на разработку преобразователей постоянного и переменного тока, а также на производство гибридных импульсных источников питания.
Но вернёмся к теории. Импульсный источник питания работает контролируя среднее напряжение, подаваемое на нагрузку. Это делается путем размыкания и замыкания переключателя (обычно мощного полевого транзистора) на высокой частоте. Система более известна как широтно-импульсная модуляция – ШИМ. Схема ШИМ – самая важная, которая отличает этот тип блока питания, поэтому стоит вспомнить хотя бы само название.
На приведенной диаграмме показаны идеи, лежащие в основе работы ШИМ, и ее довольно просто понять: V = напряжение, T = период, t (вкл.) = длительность импульса. Среднее напряжение приложенное к нагрузке, можно объяснить следующей формулой:
Vo (av) = (t (on) / T) x Vi
Импульсы следуют друг за другом быстро (это порядка многих кГц, то есть тысячи раз в секунду), и для того, чтобы нагрузка не видела внезапных импульсов, необходимы конденсаторы, обеспечивающие относительно постоянный уровень напряжения. Уменьшение времени t (on) вызывает уменьшение среднего значения выходного напряжения Vo (av) и наоборот – увеличение длительности высокого вольтажного состояния t (on) увеличивает выходное напряжение Vo (av).
Предположим, что импульсный блок питания подает напряжение +12 В на нагрузку 6 А. Теперь, когда ток нагрузки внезапно повышается до 8 А, напряжение автоматически снижается до + 10,6 В. За доли секунды обратная связь, отправленная в схему ШИМ, заметит падение напряжения и включит полевой МОП-транзистор на более длительный период времени t (on). Благодаря этому схема может передавать больше мощности и восстанавливать выходное значение напряжения до +12 В.
Частота, с которой работает ШИМ, обычно находится в диапазоне от 30 кГц до 150 кГц, но может быть намного выше.