3.4 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) прикла
дывает 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.
3.4.1
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 запи-
рание
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.
3.4.2
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.
.
3.4.3
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 индук-
тивности). 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).
3.4.4
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.
|
