Proiectarea unei surse de alimentare comutatoare cu PFC activ. Episodul I. Cum să faci o sursă de alimentare comutată cu propriile mâini

Spre deosebire de sursele de alimentare liniare tradiționale, care implică stingerea tensiunii nestabilizate în exces pe un element liniar de trecere, sursele de alimentare cu impulsuri utilizează alte metode și fenomene fizice pentru a genera o tensiune stabilizată, și anume: efectul acumulării de energie în inductori, precum și posibilitatea de transformare de înaltă frecvență și conversie a energiei acumulate în presiune constantă. Există trei circuite tipice pentru construirea surselor de alimentare cu impulsuri (vezi Fig. 3.4-1): step-up (tensiunea de ieșire este mai mare decât tensiunea de intrare), step-down (tensiunea de ieșire este mai mică decât tensiunea de intrare) și inversare. (tensiunea de ieșire are polaritatea opusă față de intrare). După cum se poate observa din figură, ele diferă doar prin modul în care conectează inductanța, în caz contrar, principiul de funcționare rămâne neschimbat;

Elementul cheie (de obicei sunt utilizați tranzistori bipolari sau MOS), care funcționează cu o frecvență de ordinul 20-100 kHz, se aplică periodic pentru o perioadă scurtă de timp (nu mai mult de 50% din timp)

oferă inductorului tensiunea nestabilizată de intrare completă. Curent de impuls. curgând prin bobină asigură acumularea de rezerve de energie în câmpul său magnetic de 1/2LI^2 la fiecare impuls. Energia stocată în acest fel din bobină este transferată în sarcină (fie direct, folosind o diodă de redresare, fie prin înfășurarea secundară cu redresare ulterioară), condensatorul filtrului de netezire a ieșirii asigură o tensiune și curent constant de ieșire. Stabilizarea tensiunii de ieșire este asigurată prin reglarea automată a lățimii sau frecvenței impulsului pe elementul cheie (un circuit de feedback este proiectat pentru a monitoriza tensiunea de ieșire).

Această schemă, deși destul de complexă, poate crește semnificativ eficiența întregului dispozitiv. Cert este că, în acest caz, pe lângă sarcina în sine, nu există elemente de putere în circuit care să disipeze o putere semnificativă. Tranzistoarele cheie funcționează în modul de comutare saturată (adică, căderea de tensiune pe ele este mică) și disipă puterea doar în intervale de timp destul de scurte (timp de impuls). În plus, prin creșterea frecvenței de conversie, este posibilă creșterea semnificativă a puterii și îmbunătățirea caracteristicilor de greutate și dimensiune.

Un avantaj tehnologic important al surselor de alimentare cu impulsuri este capacitatea de a construi pe baza lor surse de alimentare de rețea de dimensiuni mici, cu izolație galvanică de rețea, pentru a alimenta o mare varietate de echipamente. Astfel de surse de alimentare sunt construite fără utilizarea unui transformator de putere voluminos de joasă frecvență, folosind un circuit convertor de înaltă frecvență. Acesta este, de fapt, un circuit obișnuit de alimentare în comutație cu reducere a tensiunii, în care tensiunea de rețea redresată este utilizată ca tensiune de intrare și un transformator de înaltă frecvență (de dimensiuni mici și cu randament ridicat) este utilizat ca element de stocare, de la înfășurarea secundară a cărei tensiune stabilizată de ieșire este îndepărtată (acest transformator asigură și izolarea galvanică de rețea).

Dezavantajele surselor de alimentare cu impulsuri includ: prezența unui nivel ridicat de zgomot pulsat la ieșire, complexitate ridicată și fiabilitate scăzută (în special în producția de artizanat), necesitatea de a utiliza componente scumpe de înaltă tensiune, de înaltă frecvență, care în eventualitatea cea mai mică defecțiune eșuează cu ușurință „în masă” (cu În acest caz, de regulă, se pot observa efecte pirotehnice impresionante). Celor cărora le place să se adâncească în interiorul dispozitivelor cu o șurubelniță și un fier de lipit vor trebui să fie extrem de atenți atunci când proiectează surse de alimentare cu impulsuri de rețea, deoarece multe elemente ale unor astfel de circuite sunt sub tensiune înaltă.

3.4.1 Regulator de comutare eficient cu complexitate redusă

Pe o bază de element similară cu cea utilizată în stabilizatorul liniar descris mai sus (Fig. 3.3-3), este posibil să se construiască un stabilizator de tensiune de impuls. Cu aceleasi caracteristici, va avea dimensiuni semnificativ mai mici si conditii termice mai bune. O diagramă schematică a unui astfel de stabilizator este prezentată în Fig. 3.4-2. Stabilizatorul este asamblat conform unui circuit standard de reducere a tensiunii (Fig. 3.4-1a).

Când este pornit pentru prima dată, când condensatorul C4 este descărcat și o sarcină suficient de puternică este conectată la ieșire, curentul trece prin regulatorul liniar IC DA1. Căderea de tensiune pe R1 cauzată de acest curent deblochează tranzistorul cheie VT1, care intră imediat în modul de saturație, deoarece reactanța inductivă a lui L1 este mare și un curent suficient de mare trece prin tranzistor. Căderea de tensiune pe R5 deschide elementul cheie principal - tranzistorul VT2. Actual. crescând în L1, încarcă C4, în timp ce prin feedback pe R8 are loc înregistrarea

Deteriorarea stabilizatorului și a tranzistorului cheie. Energia stocată în bobină alimentează sarcina. Când tensiunea la C4 scade sub tensiunea de stabilizare, DA1 și tranzistorul cheie se deschid. Ciclul se repetă cu o frecvență de 20-30 kHz.

Circuitul R3. R4, C2 vor seta nivelul tensiunii de ieșire. Poate fi reglat fără probleme în limite mici, de la Uct DA1 la Uin. Cu toate acestea, dacă Uout este ridicat aproape de Uin, apare o anumită instabilitate la sarcina maximă și un nivel crescut de ondulație. Pentru a suprima pulsațiile de înaltă frecvență, filtrul L2, C5 este inclus la ieșirea stabilizatorului.

Schema este destul de simplă și cea mai eficientă pentru acest nivel de complexitate. Toate elementele de putere VT1, VT2, VD1, DA1 sunt echipate cu calorifere mici. Tensiunea de intrare nu trebuie să depășească 30 V, care este maximul pentru stabilizatorii KR142EN8. Utilizați diode redresoare pentru un curent de cel puțin 3 A.

3.4.2 Dispozitiv de alimentare neîntreruptibilă bazat pe un stabilizator de comutare

În fig. 3.4-3 propunem spre considerare un dispozitiv de alimentare neîntreruptibilă a sistemelor de securitate și supraveghere video bazat pe un stabilizator de impuls combinat cu un încărcător. Stabilizatorul include sisteme de protecție împotriva suprasarcinii, supraîncălzirii, supratensiunii de ieșire și scurtcircuitelor.

Stabilizatorul are următorii parametri:

Tensiune de intrare, Uvx - 20-30 V:

Tensiune stabilizată de ieșire, Uvyx-12V:

Curent nominal de sarcină, Iload nom -5A;

Curentul de declanșare al sistemului de protecție la suprasarcină, Iprotect - 7A;.

Tensiunea de funcționare a sistemului de protecție la supratensiune, protecție Uout - 13 V;

Curent maxim de încărcare a bateriei, Icharge bateria max - 0,7 A;

Nivel de ondulare. Impuls - 100 mV,

Temperatura de funcționare a sistemului de protecție împotriva supraîncălzirii, Tzasch - 120 C;

Viteza de comutare la alimentare de la baterie, tswitch - 10ms (releu RES-b RFO.452.112).

Principiul de funcționare al stabilizatorului de impuls în dispozitivul descris este același cu cel al stabilizatorului prezentat mai sus.

Dispozitivul este completat cu un încărcător realizat pe elemente DA2, R7, R8, R9, R10, VD2, C7. Stabilizator de tensiune IC DA2 cu divizor de curent pe R7. R8 limitează curentul maxim de încărcare inițială, divizorul R9, R10 stabilește tensiunea de încărcare de ieșire, dioda VD2 protejează bateria de autodescărcare în absența tensiunii de alimentare.

Protecția la supraîncălzire folosește termistorul R16 ca senzor de temperatură. Când protecția este declanșată, alarma sonoră, asamblată pe DD 1 IC, pornește și, în același timp, sarcina este deconectată de la stabilizator, trecând la alimentare de la baterie. Termistorul este montat pe radiatorul tranzistorului VT1. Reglarea fină a nivelului de răspuns al protecției la temperatură se realizează prin rezistența R18.

Senzorul de tensiune este asamblat pe divizorul R13, R15. rezistența R15 stabilește nivelul exact de protecție la supratensiune (13 V). Dacă tensiunea la ieșirea stabilizatorului depășește (dacă acesta din urmă eșuează), releul S1 deconectează sarcina de la stabilizator și o conectează la baterie. Dacă tensiunea de alimentare este oprită, releul S1 intră în starea „implicit” - adică. conectează sarcina la baterie.

Circuitul prezentat aici nu are protecție electronică la scurtcircuit pentru baterie. Acest rol este îndeplinit de o siguranță în circuitul de alimentare cu sarcină, proiectată pentru consumul maxim de curent.

3.4.3 Surse de alimentare bazate pe convertor de impulsuri de înaltă frecvență

Destul de des, la proiectarea dispozitivelor, există cerințe stricte pentru dimensiunea sursei de alimentare. În acest caz, singura soluție este utilizarea unei surse de alimentare bazate pe convertoare de impulsuri de înaltă tensiune și frecvență înaltă. care sunt conectate la o rețea de ~220 V fără utilizarea unui transformator mic de frecvență mare și pot furniza putere mare cu dimensiuni mici și disipare a căldurii.

Schema bloc a unui convertor de impuls tipic alimentat de la o rețea industrială este prezentată în Figura 34-4.

Filtrul de intrare este conceput pentru a preveni intrarea zgomotului de impuls în rețea. Comutatoarele de alimentare furnizează impulsuri de înaltă tensiune înfășurării primare a unui transformator de înaltă frecvență (unic și

circuite push-pull). Frecvența și durata impulsurilor sunt stabilite de un generator controlat (de obicei se utilizează controlul lățimii impulsului, mai rar - frecvența). Spre deosebire de transformatoarele de semnal sinusoidale de joasă frecvență, sursele de alimentare cu impulsuri utilizează dispozitive de bandă largă care asigură un transfer eficient de putere pe semnale cu margini rapide. Acest lucru impune cerințe semnificative privind tipul de circuit magnetic utilizat și designul transformatorului. Pe de altă parte, odată cu creșterea frecvenței, dimensiunile necesare ale transformatorului (în timp ce se menține puterea transmisă) scad (materialele moderne fac posibilă construirea de transformatoare puternice cu eficiență acceptabilă la frecvențe de până la 100-400 kHz). O caracteristică specială a redresorului de ieșire este utilizarea diodelor Schottky de mare viteză, mai degrabă decât a diodelor de putere convenționale, ceea ce se datorează frecvenței înalte a tensiunii redresate. Filtrul de ieșire netezește ondulațiile de tensiune de ieșire. Tensiunea de feedback este comparată cu tensiunea de referință și apoi acţionează oscilatorul. Vă rugăm să rețineți prezența izolației galvanice în circuitul de feedback, care este necesară dacă dorim să asigurăm izolarea tensiunii de ieșire de la rețea.

La fabricarea unui astfel de IP apar cerințe serioase pentru componentele utilizate (ceea ce crește costul acestora față de cele tradiționale). În primul rând, aceasta se referă la tensiunea de funcționare a diodelor redresoare, a condensatoarelor de filtru și a tranzistorilor cheie, care nu trebuie să fie mai mică de 350 V pentru a evita defecțiunile. În al doilea rând, ar trebui să se utilizeze tranzistori cheie de înaltă frecvență (frecvență de operare 20-100 kHz) și condensatori ceramici speciali (electroliții de oxid convenționali se vor supraîncălzi la frecvențe înalte datorită inductanței lor ridicate).

activitate). Și în al treilea rând, frecvența de saturație a transformatorului de înaltă frecvență, determinată de tipul de miez magnetic utilizat (de regulă, se folosesc miezuri toroidale) trebuie să fie semnificativ mai mare decât frecvența de funcționare a convertorului.

În fig. 3.4-5 prezintă o diagramă schematică a unei surse de alimentare clasice bazată pe un convertor de înaltă frecvență. Filtrul, format din condensatoare C1, C2, SZ și bobine L1, L2, servește la protejarea rețelei de alimentare împotriva interferențelor de înaltă frecvență de la convertor. Generatorul este construit conform unui circuit auto-oscilant și combinat cu o etapă cheie. Tranzistoarele cheie VT1 și VT2 funcționează în antifază, deschizându-se și închizându-se pe rând. Pornirea generatorului și funcționarea fiabilă este asigurată de tranzistorul VT3, care funcționează în modul de avalanșă. Când tensiunea pe C6 crește prin R3, tranzistorul se deschide și condensatorul este descărcat la baza VT2, pornind generatorul. Tensiunea de reacție este îndepărtată din înfășurarea suplimentară (III) a transformatorului de putere Tpl.

Tranzistoare VT1. VT2 este instalat pe radiatoare cu placă de cel puțin 100 cm^2. Diodele VD2-VD5 cu o barieră Schottky sunt plasate pe un radiator mic de 5 cm^2. Date bobine și transformatoare: L1-1. L2 este înfășurat pe inele de ferită 2000NM K12x8x3 în două fire folosind firul PELSHO 0,25: 20 de spire. TP1 - pe două inele pliate împreună, ferită 2000NN KZ 1x18,5x7;

infasurare 1 - 82 spire cu fir PEV-2 0,5: infasurare II - 25+25 spire cu fir PEV-2 1,0: infasurare III - 2 spire cu fir PEV-2 0,3. TP2 este înfășurat pe un inel de ferită 2000NN K10x6x5. toate înfășurările sunt realizate cu fire PEV-2 0,3: înfășurare 1 - 10 spire:

înfășurările II și III - câte 6 spire, ambele înfășurări (II și III) sunt înfășurate astfel încât să ocupe 50% din suprafața inelului fără să se atingă sau să se suprapună una pe cealaltă, înfășurarea I este înfășurată uniform în întregul inel și izolată cu un strat din pânză lăcuită. Bobinele filtru redresor L3, L4 sunt înfășurate pe ferită 2000NM K 12x8x3 cu fir PEV-2 1.0, număr de spire - 30. KT809A poate fi folosit ca tranzistori cheie VT1, VT2. KT812, KT841.

Valorile nominale ale elementelor și datele de înfășurare ale transformatoarelor sunt date pentru o tensiune de ieșire de 35 V. În cazul în care sunt necesare alte valori ale parametrilor de funcționare, numărul de spire în înfășurarea 2 Tr1 ar trebui modificat corespunzător.

Circuitul descris are dezavantaje semnificative datorită dorinței de a reduce extrem de numărul de componente utilizate. Acestea includ un nivel scăzut de stabilizare a tensiunii de ieșire, o funcționare instabilă și un curent de ieșire scăzut. Cu toate acestea, este destul de potrivit pentru alimentarea celor mai simple putere diferită (dacă sunt utilizate componente adecvate), cum ar fi: calculatoare, dispozitive de iluminat etc.

Un alt circuit de alimentare bazat pe un convertor de impulsuri de înaltă frecvență este prezentat în Fig. 3.4-6. Principala diferență dintre această schemă și structura standard prezentată în Fig. 3 .4-4 este absența unui circuit de feedback. În acest sens, stabilitatea tensiunii pe înfășurările de ieșire ale transformatorului HF Tr2 este destul de scăzută și este necesară utilizarea unor stabilizatori secundari (circuitul folosește stabilizatori universali integrati bazați pe seria KR142 IC).

3.4.4 Comutarea stabilizatorului cu un tranzistor MIS cheie cu citirea curentului.

Miniaturizarea și eficiența sporită în dezvoltarea și construcția surselor de alimentare în comutație este facilitată de utilizarea unei noi clase de invertoare semiconductoare - tranzistoare MOS, precum și: diode de mare putere cu recuperare rapidă inversă, diode Schottky, viteză ultra-înaltă. diode, tranzistoare cu efect de câmp cu poartă izolată, circuite integrate pentru controlul elementelor cheie. Toate aceste elemente sunt disponibile pe piața internă și pot fi utilizate în proiectarea surselor de alimentare, convertoare, sisteme de aprindere pentru motoarele cu ardere internă (ICE) și sisteme de pornire pentru lămpi fluorescente (LDL) de înaltă eficiență. O clasă de dispozitive de putere numită HEXSense - tranzistori MOS cu senzor de curent - poate fi, de asemenea, de mare interes pentru dezvoltatori. Sunt elemente de comutare ideale pentru surse de comutare gata de control. Capacitatea de a citi curentul tranzistorului comutator poate fi utilizată la comutarea surselor de alimentare pentru a furniza feedback-ul de curent necesar unui controler de modulare a lățimii impulsului. Acest lucru realizează simplificarea designului sursei de alimentare - excluderea rezistențelor de curent și a transformatoarelor din aceasta.

În fig. Figura 3.4-7 prezintă o diagramă a unei surse de alimentare comutatoare de 230 W. Principalele sale caracteristici de performanță sunt următoarele:

Tensiune de intrare: -110V 60Hz:

Tensiune de ieșire: 48 V DC:

Curent de sarcină: 4,8 A:

Frecvența de comutare: 110 kHz:

Eficienta la sarcina maxima : 78%;

Eficiență la 1/3 sarcină: 83%.

Circuitul este construit pe baza unui modulator de lățime a impulsurilor (PWM) cu un convertor de înaltă frecvență la ieșire. Principiul de funcționare este următorul.

Semnalul de control pentru tranzistorul cheie provine de la ieșirea 6 a controlerului PWM DA1, ciclul de lucru este limitat la 50% de rezistența R4, R4 și SZ sunt elementele de sincronizare ale generatorului. Alimentarea pentru DA1 este asigurată de lanțul VD5, C5, C6, R6. Rezistorul R6 este proiectat pentru a furniza tensiunea de alimentare în timpul pornirii generatorului, ulterior, feedback-ul de tensiune prin LI, VD5 este activat. Acest feedback este obținut din înfășurarea suplimentară a bobinei de ieșire, care funcționează în modul invers. Pe lângă alimentarea generatorului, tensiunea de feedback prin lanțul VD4, Cl, Rl, R2 este furnizată la intrarea de feedback DA1 (pin 2). Prin R3 și C2 se asigură compensarea, care garantează stabilitatea buclei de feedback.

Pe baza acestui circuit, este posibil să construiți stabilizatori de impulsuri cu alți parametri de ieșire.

Cele mai multe dispozitive electronice moderne practic nu folosesc surse de alimentare analogice (transformatoare), acestea sunt înlocuite cu convertoare de tensiune în impulsuri. Pentru a înțelege de ce s-a întâmplat acest lucru, este necesar să se ia în considerare caracteristicile de design, precum și punctele forte și punctele slabe ale acestor dispozitive. De asemenea, vom vorbi despre scopul principalelor componente ale surselor pulsate și vom oferi un exemplu simplu de implementare care poate fi asamblată cu propriile mâini.

Caracteristici de proiectare și principiu de funcționare

Dintre cele mai multe metode de conversie a tensiunii în componente electronice de alimentare, două care sunt cele mai răspândite pot fi identificate:

Analogic, al cărui element principal este un transformator coborâtor, pe lângă funcția sa principală, oferă și izolație galvanică.
Principiul impulsului.

Să vedem cum diferă aceste două opțiuni.

PSU bazat pe un transformator de putere

Să luăm în considerare o diagramă bloc simplificată a acestui dispozitiv. După cum se poate observa din figură, la intrare este instalat un transformator coborâtor, cu ajutorul acestuia, amplitudinea tensiunii de alimentare este convertită, de exemplu, de la 220 V obținem 15 V. Următorul bloc este un redresor, acesta sarcina este de a converti curentul sinusoidal într-unul pulsat (armonica este afișată deasupra imaginii simbolice). În acest scop, se folosesc elemente semiconductoare de redresare (diode) conectate printr-un circuit în punte. Principiul lor de funcționare poate fi găsit pe site-ul nostru.

Următorul bloc îndeplinește două funcții: netezește tensiunea (se folosește un condensator de capacitate adecvată în acest scop) și o stabilizează. Acesta din urmă este necesar pentru ca tensiunea să nu „scădeze” atunci când sarcina crește.

Diagrama bloc dată este mult simplificată, de regulă, o sursă de acest tip are un filtru de intrare și circuite de protecție, dar acest lucru nu este important pentru explicarea funcționării dispozitivului.

Toate dezavantajele opțiunii de mai sus sunt legate direct sau indirect de elementul principal de proiectare - transformatorul. În primul rând, greutatea și dimensiunile sale limitează miniaturizarea. Pentru a nu fi nefondat, vom folosi ca exemplu un transformator coborâtor 220/12 V cu o putere nominală de 250 W. Greutatea unei astfel de unități este de aproximativ 4 kilograme, dimensiunile 125x124x89 mm. Vă puteți imagina cât ar cântări un încărcător de laptop bazat pe acesta.

În al doilea rând, prețul unor astfel de dispozitive este uneori de multe ori mai mare decât costul total al celorlalte componente.

Dispozitive cu impulsuri

După cum se poate observa din diagrama bloc prezentată în figura 3, principiul de funcționare al acestor dispozitive diferă semnificativ de convertoarele analogice, în primul rând în absența unui transformator de intrare descendente.

Figura 3. Schema bloc a unei surse de alimentare comutatoare

Să luăm în considerare algoritmul de operare al unei astfel de surse:

Protectorul de supratensiune este furnizat cu energie; sarcina acestuia este de a minimiza interferențele din rețea, atât la intrare, cât și la ieșire, care apar ca urmare a funcționării.
Apoi, intră în funcțiune unitatea de conversie a tensiunii sinusoidale în tensiune constantă pulsată și un filtru de netezire.
În etapa următoare, un invertor este conectat la proces, sarcina sa este legată de formarea de semnale dreptunghiulare de înaltă frecvență. Feedback-ul către invertor se realizează prin unitatea de control.
Următorul bloc este IT, este necesar pentru modul generator automat, alimentarea cu tensiune a circuitului, protecție, controlul controlerului, precum și sarcina. În plus, sarcina IT include asigurarea izolației galvanice între circuitele de înaltă și joasă tensiune.

Spre deosebire de un transformator coborâtor, miezul acestui dispozitiv este realizat din materiale ferimagnetice, acest lucru contribuind la transmiterea fiabilă a semnalelor RF, care pot fi în intervalul 20-100 kHz. O trăsătură caracteristică a IT este că atunci când îl conectați, includerea începutului și a sfârșitului înfășurărilor este critică. Dimensiunile mici ale acestui dispozitiv fac posibilă producerea de dispozitive în miniatură, un exemplu este cablarea electronică (balastul) unui LED sau lampă de economisire a energiei.

Apoi, redresorul de ieșire intră în funcțiune, deoarece funcționează cu tensiune de înaltă frecvență, procesul necesită elemente semiconductoare de mare viteză, astfel încât diode Schottky sunt utilizate în acest scop.
În faza finală, netezirea se realizează pe un filtru avantajos, după care se aplică tensiune la sarcină.

Acum, așa cum am promis, să ne uităm la principiul de funcționare al elementului principal al acestui dispozitiv - invertorul.

Cum funcționează un invertor?

Modularea RF poate fi realizată în trei moduri:

frecvența pulsului;
fază-impuls;
lățimea impulsului.

În practică, se folosește ultima opțiune. Acest lucru se datorează atât simplității implementării, cât și faptului că PWM are o frecvență de comunicare constantă, spre deosebire de celelalte două metode de modulare. O diagramă bloc care descrie funcționarea controlerului este prezentată mai jos.

Algoritmul de funcționare al dispozitivului este următorul:

Generatorul de frecvență de referință generează o serie de semnale dreptunghiulare, a căror frecvență corespunde celei de referință. Pe baza acestui semnal, se formează un dinte de ferăstrău U P, care este furnizat la intrarea comparatorului K PWM. Semnalul UUS care vine de la amplificatorul de control este furnizat la a doua intrare a acestui dispozitiv. Semnalul generat de acest amplificator corespunde diferenței proporționale dintre U P (tensiune de referință) și U RS (semnal de control din circuitul de feedback). Adică, semnalul de control UUS este, de fapt, o tensiune nepotrivită cu un nivel care depinde atât de curentul de pe sarcină, cât și de tensiunea de pe aceasta (U OUT).

Această metodă de implementare vă permite să organizați un circuit închis care vă permite să controlați tensiunea de ieșire, adică, de fapt, vorbim despre o unitate funcțională liniar-discretă. La ieșire sunt generate impulsuri, cu o durată în funcție de diferența dintre semnalele de referință și cele de control. Pe baza acesteia, se creează o tensiune pentru a controla tranzistorul cheie al invertorului.

Procesul de stabilizare a tensiunii de ieșire se realizează prin monitorizarea nivelului acesteia atunci când se modifică, tensiunea semnalului de control U PC se modifică proporțional, ceea ce duce la creșterea sau scăderea duratei dintre impulsuri.

Ca urmare, puterea circuitelor secundare se modifică, ceea ce asigură stabilizarea tensiunii de ieșire.

Pentru a asigura siguranța, este necesară izolarea galvanică între sursa de alimentare și feedback. De regulă, optocuplele sunt utilizate în acest scop.

Punctele forte și punctele slabe ale surselor pulsate

Dacă comparăm dispozitive analogice și cu impulsuri de aceeași putere, acestea din urmă vor avea următoarele avantaje:

Dimensiune și greutate reduse datorită absenței unui transformator coborâtor de joasă frecvență și a elementelor de control care necesită îndepărtarea căldurii folosind radiatoare mari. Datorită utilizării tehnologiei de conversie a semnalului de înaltă frecvență, este posibilă reducerea capacității condensatoarelor utilizate în filtre, ceea ce permite instalarea unor elemente mai mici.
Eficiență mai mare, deoarece pierderile principale sunt cauzate doar de procese tranzitorii, în timp ce în circuitele analogice se pierde constant multă energie în timpul conversiei electromagnetice. Rezultatul vorbește de la sine, crescând eficiența la 95-98%.
Cost mai mic datorită utilizării elementelor semiconductoare mai puțin puternice.
Gamă mai largă de tensiune de intrare. Acest tip de echipamente nu este pretențios în ceea ce privește frecvența și amplitudinea, prin urmare, este permisă conectarea la rețele de diferite standarde;
Disponibilitatea unei protecții fiabile împotriva scurtcircuitelor, suprasarcinii și a altor situații de urgență.

Dezavantajele tehnologiei cu impulsuri includ:

Prezența interferenței RF este o consecință a funcționării convertorului de înaltă frecvență. Acest factor necesită instalarea unui filtru care suprimă interferențele. Din păcate, funcționarea sa nu este întotdeauna eficientă, ceea ce impune unele restricții privind utilizarea dispozitivelor de acest tip în echipamente de înaltă precizie.

Cerințe speciale pentru sarcină, aceasta nu trebuie redusă sau mărită. De îndată ce nivelul curentului depășește pragul superior sau inferior, caracteristicile tensiunii de ieșire vor începe să difere semnificativ de cele standard. De regulă, producătorii (chiar și cei recent chinezi) asigură astfel de situații și instalează o protecție adecvată în produsele lor.

Scopul aplicatiei

Aproape toate electronicele moderne sunt alimentate din blocuri de acest tip, de exemplu:

Asamblarea unei surse de alimentare comutatoare cu propriile mâini

Să luăm în considerare circuitul unei surse de alimentare simple, în care se aplică principiul de funcționare descris mai sus.

Denumiri:

Rezistoare: R1 – 100 Ohm, R2 – de la 150 kOhm la 300 kOhm (selectabile), R3 – 1 kOhm.
Capacitate: C1 și C2 – 0,01 µF x 630 V, C3 -22 µF x 450 V, C4 – 0,22 µF x 400 V, C5 – 6800-15000 pF (selectabil), 012 µF, C6 – 10 µF x 400 V – 220 µF x 25 V, C8 – 22 µF x 25 V.
Diode: VD1-4 - KD258V, VD5 și VD7 - KD510A, VD6 - KS156A, VD8-11 - KD258A.
Tranzistor VT1 – KT872A.
Stabilizator de tensiune D1 - microcircuit KR142 cu indice EH5 - EH8 (în funcție de tensiunea de ieșire necesară).
Transformator T1 - se folosește un miez de ferită în formă de w cu dimensiunile 5x5. Înfăşurarea primară este înfăşurată cu 600 de spire de sârmă Ø 0,1 mm, secundarul (pinii 3-4) conţine 44 de spire de Ø 0,25 mm, iar ultima înfăşurare conţine 5 spire de Ø 0,1 mm.
Siguranță FU1 – 0,25A.

Configurația se reduce la selectarea valorilor R2 și C5, care asigură excitarea generatorului la o tensiune de intrare de 185-240 V.

Progresul tehnic nu stă pe loc, iar astăzi sursele de alimentare de tip transformator au fost înlocuite cu unități de comutare. Există multe motive pentru aceasta, dar cele mai importante sunt:

Simplitate și cost redus de producție;
Ușurință în utilizare;
Dimensiuni generale compacte și semnificativ confortabile.

Citiți ghidul despre cum să alegeți un detector de cablaj ascuns și despre cum să îl utilizați.

Din punct de vedere tehnic, o sursă de alimentare în comutație este un dispozitiv care redresează tensiunea rețelei și apoi formează un impuls din aceasta cu un răspuns în frecvență de 10 kHz. Este de remarcat faptul că eficiența acestui dispozitiv tehnic ajunge la 80%.

Principiul de funcționare

De fapt, întregul principiu de funcționare al unei surse de alimentare în comutație se rezumă la faptul că un dispozitiv de acest tip are ca scop rectificarea tensiunii care îi este furnizată atunci când este conectată la rețea și apoi formarea unui impuls de lucru, datorită căruia această unitate electrică poate funcționa.

Mulți oameni se întreabă care sunt principalele diferențe dintre un dispozitiv cu puls și unul obișnuit? Totul se rezumă la faptul că are caracteristici tehnice îmbunătățite și dimensiuni de gabarit mai mici. De asemenea, unitatea de impuls oferă mai multă energie decât versiunea sa standard.

feluri

În acest moment, pe teritoriul Federației Ruse, dacă este necesar, puteți găsi surse de alimentare comutatoare din următoarele soiuri și categorii:

Timp de nefuncționare pe IR2153 - această modificare este cea mai populară în rândul consumatorilor casnici;
Pe TL494
Pe UC3842
De la o lampă de economisire a energiei - este ceva ca un dispozitiv tehnic modificat de tip hibrid;
Pentru un amplificator – are caracteristici tehnice ridicate;
Din balastul electronic - din denumire reiese clar că dispozitivul se bazează pe funcționarea unei balanțe de tip electronic. Citiți recenzia ce tipuri de lămpi cu LED există pentru casă și cum să alegeți.
Ajustabil - acest tip de unitate mecanică poate fi configurat și reglat singur;
Pentru UMZCH - are o aplicație specifică îngustă;
Puternic – are caracteristici de putere mare;
200 volți - acest tip de dispozitiv este proiectat pentru o tensiune maximă de 220V;
Rețea 150 W – funcționează doar din rețea, putere maximă – 150 W;
12 V – un dispozitiv tehnic care poate funcționa normal la o tensiune de 12 V;
24 V – funcționarea normală a dispozitivului este posibilă doar la 24 V
Pod – la montaj a fost utilizată o schemă de conectare a podului;
Pentru un amplificator cu tub - toate specificațiile tehnice sunt concepute pentru a funcționa cu un amplificator cu tub;
Pentru LED-uri – are sensibilitate mare, folosit pentru lucrul cu LED-uri;
Bipolar are polaritate dublă, dispozitivul îndeplinește standarde de calitate înalte;
Flyback - axat pe funcționarea inversă, are putere și tensiune ridicate.

Sistem

Toate sursele de alimentare comutatoare, în funcție de domeniul de funcționare și caracteristicile tehnice, au circuite diferite:

12 V – este varianta standard pentru asamblarea unui sistem de acest tip;
2000 W - acest circuit este destinat numai dispozitivelor tehnice de mare putere;
Pentru o șurubelniță de 18 V, circuitul este specific și necesită cunoștințe speciale de la maestru în timpul asamblarii;
Pentru un amplificator cu tub - în acest caz vorbim despre un design schematic simplu, care, printre altele, ia în considerare ieșirea către amplificatorul cu tub;
Pentru laptopuri – necesită prezența unui sistem special de protecție împotriva supratensiunii;
Pe Top 200 - caracteristicile tehnice ale dispozitivului vor fi 40 V și 3 A. Citiți despre designul alternatorului.
Pe TL494 circuitul ia în considerare limitarea curentului și reglarea tensiunii de intrare;
Pe UC3845, asamblarea unei surse de alimentare comutatoare conform acestei scheme nu este dificilă;
sursă de alimentare în comutație bazată pe circuit ir2153 - aplicabilă pentru amplificatoare de joasă frecvență;
Pe cipul LNK364PN – implementat pe baza designului de microcircuit al UC 3842;
Pe un tranzistor cu efect de câmp, este deja clar din denumire că acest circuit este aplicabil unui tranzistor cu efect de câmp;
Circuitul unei surse de alimentare cu comutare în modul înainte este simplu în proiectare și nu necesită abilități speciale în timpul asamblarii.

Reparație

Principiul realizării puterii secundare prin utilizarea dispozitivelor suplimentare care furnizează energie circuitelor a fost folosit destul de mult timp în majoritatea aparatelor electrice. Aceste dispozitive sunt surse de alimentare. Acestea servesc la convertirea tensiunii la nivelul necesar. PSU-urile pot fi fie elemente încorporate, fie separate. Există două principii pentru transformarea energiei electrice. Primul se bazează pe utilizarea transformatoarelor analogice, iar al doilea se bazează pe utilizarea surselor de alimentare cu comutare. Diferența dintre aceste principii este destul de mare, dar, din păcate, nu toată lumea o înțelege. În acest articol ne vom da seama cum funcționează o sursă de alimentare comutată și cum diferă atât de mult de una analogică. Să începem. Merge!

Sursele de alimentare cu transformatoare au fost primele care au apărut. Principiul lor de funcționare este că schimbă structura tensiunii folosind un transformator de putere, care este conectat la o rețea de 220 V Acolo, amplitudinea armonicii sinusoidale este redusă, care este trimisă mai departe către dispozitivul redresor. Apoi, tensiunea este netezită de un condensator conectat în paralel, care este selectat în funcție de puterea admisă. Reglarea tensiunii la bornele de ieșire este asigurată prin schimbarea poziției rezistențelor de reglare.

Acum să trecem la sursele de alimentare cu impulsuri. Au apărut puțin mai târziu, totuși, au câștigat imediat o popularitate considerabilă datorită unui număr de caracteristici pozitive, și anume:

Disponibilitatea ambalajelor;
Fiabilitate;
Posibilitatea de a extinde domeniul de operare pentru tensiunile de ieșire.

Toate dispozitivele care încorporează principiul alimentării în impulsuri nu sunt practic diferite unele de altele.

Elementele unei surse de alimentare cu impulsuri sunt:

Alimentare liniară;
Sursa de alimentare standby;
Generator (ZPI, control);
tranzistor cheie;
optocupler;
Circuite de control.

Pentru a selecta o sursă de alimentare cu un set specific de parametri, utilizați site-ul web ChipHunt.

Să ne dăm seama în sfârșit cum funcționează o sursă de alimentare comutată. Utilizează principiile de interacțiune între elementele circuitului invertorului și datorită acestui lucru se obține o tensiune stabilizată.

În primul rând, redresorul primește o tensiune normală de 220 V, apoi amplitudinea este netezită folosind condensatori cu filtru capacitiv. După aceasta, sinusoidele care trec sunt rectificate de puntea de diode de ieșire. Apoi sinusoidele sunt convertite în impulsuri de înaltă frecvență. Conversia poate fi efectuată fie cu separarea galvanică a rețelei de alimentare de circuitele de ieșire, fie fără o astfel de izolare.

Dacă sursa de alimentare este izolată galvanic, atunci semnalele de înaltă frecvență sunt trimise la un transformator, care realizează izolarea galvanică. Pentru a crește eficiența transformatorului, frecvența este crescută.

Funcționarea unei surse de alimentare cu impulsuri se bazează pe interacțiunea a trei lanțuri:

Controler PWM (controlează conversia modulării lățimii impulsului);
O cascadă de comutatoare de putere (constă din tranzistoare care sunt pornite conform unuia dintre cele trei circuite: punte, semipunte, cu un punct de mijloc);
Transformator de impulsuri (are înfășurări primare și secundare, care sunt montate în jurul miezului magnetic).

Dacă sursa de alimentare este fără decuplare, atunci transformatorul de izolare de înaltă frecvență nu este utilizat, iar semnalul este alimentat direct la filtrul trece-jos.

Comparând sursele de alimentare în comutație cu cele analogice, puteți vedea avantajele evidente ale primelor. UPS-urile au o greutate mai mică, în timp ce eficiența lor este semnificativ mai mare. Au o gamă mai largă de tensiune de alimentare și protecție încorporată. Costul unor astfel de surse de alimentare este de obicei mai mic.

Dezavantajele includ prezența interferențelor de înaltă frecvență și limitări de putere (atât la sarcini mari, cât și la sarcini scăzute).

Puteți verifica UPS-ul folosind o lampă incandescentă obișnuită. Vă rugăm să rețineți că nu trebuie să conectați lampa în golul tranzistorului de la distanță, deoarece înfășurarea primară nu este proiectată să treacă curentul continuu, deci în niciun caz nu trebuie lăsată să treacă.

Dacă lampa se aprinde, atunci sursa de alimentare funcționează normal, dar dacă nu se aprinde, atunci sursa de alimentare nu funcționează. O clipire scurtă indică faptul că UPS-ul este blocat imediat după pornire. O strălucire foarte strălucitoare indică o lipsă de stabilizare a tensiunii de ieșire.

Acum veți ști pe ce se bazează principiul de funcționare al comutației și al surselor de alimentare analogice convenționale. Fiecare dintre ele are propriile caracteristici structurale și de funcționare care trebuie înțelese. De asemenea, puteți verifica performanța UPS-ului folosind o lampă incandescentă obișnuită. Scrie în comentarii dacă acest articol ți-a fost util și pune orice întrebări pe care le ai despre subiectul discutat.

Sursele de alimentare cu comutare (SMPS) sunt acum cele mai utilizate pe scară largă și sunt utilizate cu succes în toate dispozitivele radio-electronice moderne.

Figura 3 prezintă o schemă bloc a unei surse de alimentare în comutație realizată conform unui circuit tradițional. Redresoarele secundare sunt realizate după un circuit cu semiundă. Numele acestor noduri dezvăluie scopul lor și nu au nevoie de explicații. Componentele principale ale circuitului primar sunt: filtrul de intrare, redresor de tensiune de rețea și convertor de tensiune de alimentare redresat HF cu transformator.

Filtru redresor de linie

Transformator

convertor RF

Redresoare secundare

Filtru de intrare

Figura 3 - Schema bloc a unei surse de alimentare cu impulsuri

Principiul de bază care stă la baza funcționării SMPS este conversia unei tensiuni de rețea alternativă de 220 volți și o frecvență de 50 Hz într-o tensiune dreptunghiulară alternativă de înaltă frecvență, care este transformată la valorile necesare, rectificată și filtrată.

Conversia se realizează folosind un tranzistor puternic care funcționează în modul comutator și un transformator de impulsuri, formând împreună un circuit convertor RF. În ceea ce privește proiectarea circuitului, există două opțiuni posibile de convertor: prima este realizată în funcție de circuitul unui auto-oscilator de impuls (de exemplu, acesta a fost utilizat în UPS-urile televizoarelor) și a doua cu control extern (folosit în majoritatea aparate radio-electronice moderne).

Deoarece frecvența convertorului este de obicei selectată de la 18 la 50 kHz, dimensiunile transformatorului de impuls și, în consecință, întreaga sursă de alimentare, sunt destul de compacte, ceea ce este un parametru important pentru echipamentele moderne O diagramă simplificată a unui impuls convertizorul cu control extern este prezentat în Figura 4.

Figura 4 - Schema schematică a unei surse de alimentare cu impulsuri cu o unitate de alimentare.

Convertorul este realizat pe tranzistorul VT1 și transformatorul T1. Tensiunea de rețea este furnizată prin filtrul de rețea (SF) către redresorul de rețea (SV), unde este redresată, filtrată de condensatorul de filtru (SF) și prin înfășurarea W1 a transformatorului T1 este alimentată la colectorul tranzistorului. VT1. Când un impuls dreptunghiular este aplicat circuitului de bază al tranzistorului, tranzistorul se deschide și un curent crescând trece prin el eu j Același curent va curge prin înfășurarea W1 a transformatorului T1, ceea ce va duce la creșterea fluxului magnetic în miezul transformatorului, în timp ce în înfășurarea secundară W2 a transformatorului este indusă o f.em. auto-inductivă. În cele din urmă, o tensiune pozitivă va apărea la ieșirea diodei VD. Mai mult, dacă creștem durata impulsului aplicat bazei tranzistorului VT1, tensiunea din circuitul secundar va crește, deoarece se va elibera mai multă energie, iar dacă durata este redusă, tensiunea va scădea corespunzător. Astfel, prin modificarea duratei impulsului în circuitul de bază al tranzistorului, putem modifica tensiunile de ieșire ale înfășurării secundare T1 și, prin urmare, stabilizăm tensiunile de ieșire ale sursei de alimentare. Singurul lucru care este necesar pentru aceasta este un circuit care va genera impulsuri de declanșare și va controla durata lor (latitudine). Un controler PWM este utilizat ca atare circuit. PWM – modularea lățimii impulsului.

Pentru a stabiliza tensiunile de ieșire ale UPS-ului, circuitul controlerului PWM „trebuie să cunoască” magnitudinea tensiunilor de ieșire. În aceste scopuri, se folosește un circuit de urmărire (sau circuit de feedback), realizat pe optocuplatorul U1 și rezistența R2. O creștere a tensiunii în circuitul secundar al transformatorului T1 va duce la o creștere a intensității radiației LED și, prin urmare, la o scădere a rezistenței de joncțiune a fototranzistorului (parte a optocuplerului U1). Care, la rândul său, va duce la o creștere a căderii de tensiune pe rezistorul R2, care este conectat în serie cu fototranzistorul și la o scădere a tensiunii la pinul 1 al controlerului PWM. O scădere a tensiunii face ca circuitul logic inclus în controlerul PWM să mărească durata impulsului până când tensiunea de la primul pin corespunde parametrilor specificați. Când tensiunea scade, procesul este invers.

UPS-ul folosește două principii pentru implementarea circuitelor de urmărire - „direct” și „indirect”. Metoda descrisă mai sus se numește „directă”, deoarece tensiunea de feedback este eliminată direct de la redresorul secundar. Cu urmărirea „indirectă”, tensiunea de feedback este eliminată din înfășurarea suplimentară a transformatorului de impuls (Figura 5).

Figura 5 - Schema schematică a unei surse de alimentare cu impulsuri cu o unitate de alimentare.

O scădere sau creștere a tensiunii pe înfășurarea W2 va duce la o schimbare a tensiunii pe înfășurarea W3, care este, de asemenea, aplicată prin rezistența R2 la pinul 1 al controlerului PWM.

Protecție SMPS împotriva scurtcircuitului.

Scurtcircuit (SC) la sarcina UPS. În acest caz, toată energia furnizată circuitului secundar al UPS-ului se va pierde, iar tensiunea de ieșire va fi aproape zero. În consecință, circuitul controlerului PWM va încerca să mărească durata impulsului pentru a ridica nivelul acestei tensiuni la valoarea corespunzătoare. Ca urmare, tranzistorul VT1 va rămâne deschis din ce în ce mai mult, iar curentul care circulă prin el va crește. În cele din urmă, acest lucru va duce la defectarea acestui tranzistor. UPS-ul oferă protecție pentru tranzistorul convertor împotriva supraîncărcărilor de curent în astfel de situații de urgență. Se bazează pe un rezistor Rprotect, conectat în serie la circuitul prin care circulă curentul colectorului Ik. O creștere a curentului Ik care curge prin tranzistorul VT1 va duce la o creștere a căderii de tensiune pe acest rezistor și, în consecință, tensiunea furnizată pinului 2 al controlerului PWM va scădea de asemenea. Când această tensiune scade la un anumit nivel, care corespunde curentului maxim admisibil al tranzistorului, circuitul logic al controlerului PWM nu va mai genera impulsuri la pinul 3 și sursa de alimentare va intra în modul de protecție sau, cu alte cuvinte, va întoarce oprit.

În concluzie, este necesar să ne oprim în detaliu asupra avantajelor UPS-ului. După cum sa menționat deja, frecvența convertorului de impulsuri este destul de mare și, prin urmare, dimensiunile totale ale transformatorului de impulsuri sunt reduse, ceea ce înseamnă, oricât de paradoxal ar părea, costul UPS-ului este mai mic decât cel al unei puteri tradiționale. aprovizionare deoarece consum mai mic de metal pentru miezul magnetic și cupru pentru înfășurări, chiar dacă numărul de piese din UPS crește. Un alt avantaj al UPS-ului este capacitatea mică a condensatorului filtrului redresorului secundar în comparație cu o sursă de alimentare convențională. Reducerea capacității a fost posibilă prin creșterea frecvenței. Și, în sfârșit, eficiența unei surse de alimentare în comutație ajunge la 80%. Acest lucru se datorează faptului că UPS-ul consumă energie din rețeaua electrică numai atunci când tranzistorul convertorului este deschis când este închis, energia este transferată la sarcină datorită descărcării condensatorului filtrului circuitului secundar.

Dezavantajele includ complexitatea crescută a circuitului UPS și o creștere a zgomotului de impuls emis de UPS. Creșterea interferenței se datorează faptului că tranzistorul convertor funcționează în modul comutator. În acest mod, tranzistorul este o sursă de zgomot de impuls care apare în timpul proceselor tranzitorii ale tranzistorului. Acesta este un dezavantaj al oricărui tranzistor care funcționează în modul de comutare. Dar dacă tranzistorul funcționează cu tensiuni joase (de exemplu, logica tranzistorului cu o tensiune de 5V), aceasta nu este o problemă în cazul nostru, tensiunea aplicată la colectorul tranzistorului este de aproximativ 315 V. Pentru a combate această interferență; UPS-ul folosește filtre pentru circuite de rețea mai complexe decât într-o sursă de alimentare convențională.