ГлавнаяКарта сайтаПечатьE-mail
КонтрАвт
Увлекая к успеху
Поиск продукции КонтрАвт
Поиск по сайту
Подписка
формаКаталог по почте
Оформите подписку и получайте по почте Каталог продукции и буклеты о Новинках


Источники питания

Источники питания

Пахомов Александр, старший инженер

Ни одно радиоэлектронное устройство не обходится без источника питания. В системах АСУ ТП для питания промышленных контроллеров, датчиков, преобразователей, операторских панелей может использоваться до нескольких десятков источников питания.

Данная статья посвящена обзору различных схем источников питания и сравнению их основных характеристик.

Линейные источники питания

Линейные источники питания начали применять в электронной аппаратуре еще в начале 20 века. В настоящее время линейные источники питания считаются технологией «вчерашнего дня» из-за их дороговизны, большого веса, габаритов и низкого КПД. Несмотря на это, до недавнего времени более чем в 50 % всех электронных устройств использовались линейные источники питания.

Их преимуществами по сравнению с другими типами источников питания являются:

  • простота, высокая надежность, простота в обслуживании;
  • превосходные регулировочные характеристики при изменении входного напряжения и нагрузки – от 0,01 % to 0,1 % ;
  • очень малая амплитуда шумов и пульсаций – от 1 до 10 мВ;
  • только один барьер изоляции от сети – сетевой трансформатор;
  • быстрое восстановление при изменении нагрузки – 50 μS;
  • очень низкий уровень помех и излучений, достигается без фильтров.
  • Блок питания с линейным стабилизатором крайне прост (рис. 1): трансформатор преобразует напряжение сети (220 или 110 В) в близкое к требуемому, затем оно выпрямляется диодным мостом, его пульсации сглаживаются конденсатором и уже постоянное напряжение поступает на вход стабилизатора. Последний состоит из регулирующего элемента – транзистора и управляющей схемы.

    Принцип работы линейного стабилизатора заключается в том, что “излишки” напряжения падают на регулирующем транзисторе, т. е. практически он играет роль переменного резистора, только управляется напряжением схемы сравнения, а не поворотом ручки.

    Рис. 1. Принципиальная схема блока питания с линейным стабилизатором

    Соответственно на этом транзисторе будет выделяться в виде тепла мощность P = U • I, где U – разница между входным и выходным напряжениями стабилизатора, а I – отдаваемый им в нагрузку ток. А так как для нормальной работы мощного стабилизатора необходимо, чтобы разница напряжений была порядка нескольких вольт, то и выделяемая мощность оказывается большой. Если попробовать сконструировать линейный блок питания, отвечающий требованиям, которые предъявляются к современному 300 Вт АТХ-блоку, то один только стабилизатор напряжения +12 В на полной нагрузке будет рассеивать до 50 Вт.

    Для решения этих проблем приходится использовать принципиально иной тип блока питания – так называемый импульсный.

    Линейные источники питания

    Импульсные источники питания были разработаны в 1960 году для применения в авиационных, космических и военных электронных системах, где линейные источники питания не могут использоваться из-за их размеров, веса и низкого КПД.

    Общий принцип действия импульсных ИП заключается в следующем:

    1. Сетевое напряжение преобразуется в высокое постоянное. Оно поступает на первичную обмотку трансформатора через сильнопоточный полупроводниковый ключ. В качестве ключа обычно используется полевой транзистор.
    2. Ключ коммутирует напряжение на первичной обмотке с высокой частотой, гораздо более высокой, чем частота сетевого напряжения. Это позволяет существенно сократить габариты и вес трансформатора, а так же элементов фильтра.
    3. Электронный ключ в любой момент времени находится либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Он никогда не находится в «активном» состоянии. Поэтому на ключе рассеивается существенно меньшая мощность, чем на проходном транзисторе линейного источника питания.
    4. Высокочастотное напряжение на первичной обмотке трансформатора передается во вторичную обмотку. Во вторичную обмотку включаются фильтрующие цепи, а также цепь обратной связи.
    5. Цепь обратной связи через гальваническую развязку управляет скважностью включения электронного ключа, обеспечивая поддержание выходного напряжения на заданном уровне.

    К настоящему времени разработано около 14 различных топологий импульсных источников питания. Каждая обладает уникальными свойствами, позволяющими использовать её для решения своего круга задач.

    Некоторые схемы лучшим образом подходят для построения преобразователей AC/DC (из переменного в постоянное) на небольшую выходную мощность (<200 Вт), некоторые – на большие мощности.

    Другие являются оптимальным решением для высоких входных напряжений (>220 В АС), а некоторые – для 120 В и менее. Есть и топологии, которые можно использовать только для построения преобразователей DC/DC (из постоянного в постоянное).

    Рисунок 2 а) Осциллограммы напряжения на выходе линейного, масштаб 15мВ/дел блока питания

    Рисунок 2 б) Осциллограммы напряжения на выходе импульсного, масштаб 50мВ/дел блока питания

    В таблице 1 приведено сравнение основных параметров линейного и импульсного источников питания.

    Таблица 1

    Источник питания

    Линейный

    Импульсный

    Диапазон мощностей для данного типа ИИП (типовой, наиболее распространенный, целесообразный)

    до 300 Вт

    До десятков киловатт

    Типовые значения плотности мощности (Вт/дм3)

    15–30

    60–380

    Сложность реализации

    просто

    В зависимости от выбранной топологии – от относительно простых до сложных

    Устойчивость выходного напряжения к изменению входного напряжения и нагрузки, а также окружающей температуры

    Стабильность от 0,01 % до 0,1 % при различных воздействиях

    Хорошо переносит повышенную нагрузку.

    Устойчивость обеспечивается использованием обратной связи. В лучших моделях нестабильность от воздействия изменений входного напряжения (около 0,3 %), тока нагрузки (около 0,5 %), температуры, времени составляет не более 3 %.

    Излучение помех в эфир и в сеть, простота фильтрации помех

    Отсутствуют, фильтры не требуются

    Пульсации на выходе на частоте переключения порядка 10–100 мВ.

    Требуется фильтр, сложность которого зависит от выбранной топологии, мощности и частоты.

    Уровень и частота пульсаций выходного напряжения

    1–10 мВ

    Пульсации на выходе на частоте переключения порядка 10–100 мВ

    Возможности реализации защиты от КЗ, перегрева и перегрузки

    да

    да

    КПД

    ~ 50–70 %

    ~ 78–93 %

    За импульсными источниками будущее, так как они дешевеют с каждым днем и их характеристики улучшаются. Но в таких областях, как питание прецизионной техники и средства измерений до сих пор используются линейные источники питания, так как по шумам они на порядок лучше (Рис. 2).

    Обратноходовый (flyback) преобразователь

    Является наиболее распространенной схемой маломощных преобразователей (до 150 Вт) из-за простоты схемы и низкой стоимости. С понижением выходного напряжения область оптимального применения схемы смещается в область меньших мощностей. Причина – большие импульсные токи на вторичной стороне.

    Когда ключ проводит, в первичной обмотке ток повышается линейно. Трансформатор разработан таким образом, чтобы иметь высокую индуктивность и запасти энергию. Полярность обмоток гарантирует, что диод смещен обратно в течение этого периода – во вторичной обмотке при открытом ключе ток не течет, так как его блокирует диод. Ток в нагрузку в течение этого периода поступает через конденсатор С2.

    Когда ключ закрывается, магнитный поток вызывает возникновение обратного напряжения на вторичной обмотке и тока, который течет к нагрузке и заряжает конденсатор C2. Энергия запасается в поле трансформатора в течение открытого периода ключа Q1 и передается в нагрузку в период обратного хода. Конденсатор C2 поддерживает напряжение на нагрузке в течение периода открытого ключа.

    Регулирование вторичного напряжения достигается путем сравнения выходного напряжения с заданным напряжением и использования разницы, чтобы изменить время включенного состояния Q1.

    Обратная связь поддерживает постоянство выходного напряжения при изменениях величины нагрузки и напряжения питания. Изменение времени включенного состояния Q1 может быть выполнено модуляцией ширины импульса (PWM).

    Типовые значения плотности мощности 60–380 Вт/дм3.

    Пульсации на выходе на частоте переключения порядка 10–100мВ.

    Хорошо переносит повышенную нагрузку. Устойчивость обеспечивается использованием обратной связи. В лучших моделях нестабильность от воздействия изменений входного напряжения около 0,3%, тока нагрузки около 0,5%, температуры, времени, составляет не более 3%. Типовой КПД преобразователей данного вида 78–85% .

    Прямоходовый (forward) преобразователь

    Когда переключающий транзистор закрывается, прекращение тока в обмотке приводит к возникновению обратного напряжения во вторичной обмотке. D2 сейчас блокирует прохождение тока, а D3 проводит, что позволяет энергии, накопленной в L, разрядиться через нагрузку.

    Третья обмотка позволяет энергии, накопленной в трансформаторе во время цикла включения, возвратиться во входную цепь постоянного тока через диод D1.

    Дополнительная обмотка трансформатора прямоходового преобразователя гарантирует, что к моменту включения ключа магнитное поле сердечника трансформатора нулевое. При отсутствии дополнительной обмотки после нескольких периодов переключения сердечник трансформатора войдет в насыщение, ток первичной обмотки чрезмерно увеличится, таким образом ключ (то есть транзистор) выйдет из строя.

    Прямоходовый преобразователь является эффективным при мощностях от 100 до 250 ватт. Прямоходовый преобразователь является более сложным чем обратноходовый, однако более эффективен при низких выходных напряжениях. Типовые значения плотности мощности 120–200 Вт/дм3.

    Меньшие помехи по сравнению с обратноходовым, т. к. меньше пиковые токи. Пульсации на выходе на частоте переключения порядка 25 мВ. Типовой КПД преобразователей данного вида 75–92% .

    Двухтактный (Push Pull) преобразователь

    Двухтактный преобразователь относится к числу прямоходовых. Как показано на схеме выше, когда ключ Q1 включен, ток течёт через верхнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D2 смещён в прямом, а D1 – в обратном направлении. D2 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1. L1 и C2 составляют схему фильтра.

    Когда ключ Q1 выключается, магнитное поле в трансформаторе T1 спадает, и после времени паузы (зависящего от скважности ШИМ), Q2 включается, ток течёт через нижнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растёт в противоположном направлении. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D1 смещён в прямом, а D2 – в обратном направлении. D1 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1.

    После окончания мёртвого времени включается ключ Q1 и процесс повторяется.

    Двухтактный преобразователь является эффективным при мощностях от 100 до 250 Вт. Типовые значения плотности мощности 120–330 Вт/дм3.

    Меньшие помехи по сравнению с обратноходовым, т. к. меньше пиковые токи. Пульсации на выходе на частоте переключения порядка 25 мВ. Типовой КПД преобразователей данного вида 72–80 % .

    Полумостовой преобразователь

    Полумостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки.

    Схема управления полумостового преобразователя подобна схеме управления двухтактного преобразователя.

    Схема полумостового преобразователя стала наиболее популярной схемой при мощностях 200–400 Вт. Типовые значения плотности мощности 20–330 Вт/дм3

    Некоторые из преимуществ полумостового преобразователя:

    • Маленькие магнитные сердечники
    • Нет магнитного промежутка, поэтому низкое магнитное поле рассеяния
    • Частота вторичных цепей равна двойной частоте переключений
    • Маленькие компоненты фильтра (L и C) во вторичных цепях, так как они работают на двойной частоте и нет таких импульсных токов, как в обратноходовой схеме.
    • Низкая выходная пульсация и шум
    • Относительно низкий излучаемый шум, особенно, если вторичные катушки индуктивности – тороидальные ядра (магнитное поле замкнуто в сердечнике).

    При изменении напряжения сети в рабочем диапазоне и при изменении нагрузки от 25 % до 100 % выходные напряжения меняются на ±0,5 %.

    Недостаток – поскольку данный преобразователь работает на половинном выпрямленном напряжении, ток коллектора переключающих транзисторов вдвое выше тока коллектора транзисторов по сравнению с двухтактной схемой.

    Мостовой преобразователь

    Мостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки.

    Диагональные пары транзисторов поочередно проводят, таким образом, достигается изменение направления тока в первичной обмотке трансформатора. Это можно пояснить следующим образом - когда включены ключи Q1 и Q4, ток будет течь “вниз” через первичную обмотку трансформатора (втекать в начало обмотки), а когда включены ключи Q2 и Q3, ток будет течь “вверх”.

    Схема управления работает так же, как и для двухтактного и полумостового преобразователя, за исключением того, что надо управлять четырьмя транзисторами, а не двумя.

    Некоторые из преимуществ мостового преобразователя:

    • Токи и обратные напряжения транзисторов меньше по сравнению с другими схемами;

    Недостаток – использование четырёх транзисторов, каждый из которых должен быть гальванически изолирован от схемы управления делает эту схему сложной и дорогой.

    Резонансный преобразователь

    В поисках более высоких энергетических плотностей, проектировщики увеличили скорости переключения в мощных преобразователях. Частота 100 кГц теперь относительно обычна в преобразователях. Выше этой частоты потери при переключении, ограничения компонентов и электромагнитные помехи являются труднопреодолимыми в рассмотренных схемах. Некоторые из недостатков могут быть устранены при использовании резонансных методов преобразования.

    Преимущества резонансного метода преобразования начинаются при частотах переключения от 200 кГц до 2 MГц. Еще одним преимуществом резонансных схем является то, что помехи только на резонансной частоте проще фильтруются.

    Один из недостатков резонансного способа преобразования то, что преобразователь с несколькими выходными напряжениями труднореализуем.




    Copyright © 2003-2016 КонтрАвт
    Телефон: +7 (831) 260-13-08 (многоканальный)
    Почта: sales@contravt.ru



    Powered by TreeGraph (Graphit Ltd.)