ГОУ СПО Кировский Авиационный техникум
ДОКЛАД
по электропитанию СВТ
«Однотактные импульсные преобразователи»
Студента группы ВП-34
Беляева П.Ю.
| 1 Введение. Некоторые понятия. | 3 |
| 2 Первичные ИИП | 5 |
| 5 | |
| 8 | |
| 10 | |
| 2.4 Мостовой преобразователь | 11 |
| 3 Вторичные ИИП | 13 |
| 4 Импульсные преобразователи | 15 |
| 15 | |
| 4.2 Импульсный однотактный преобразователь постоянного напряжения. Конвертор | 16 |
| 5 Заключение | 19 |
| 5.1 Электромагнитные и радиопомехи, создаваемые ИИП. | 19 |
| 5.2 Интегральные микросхемы для ИИП. | 19 |
| 5.3 Режим повторных включений ИИП. | 20 |
| 5.4 ИИП с поддержкой питания | 21 |
| 6 Литература | 22 |
1 Введение. Некоторые определения
Импульсные (ключевые) источники питания - ИИП (SMPS) - это современные источники питания с высоким КПД. Традиционные линейные источники питания с последовательным регулирующим элементом сохраняют постоянное выходное напряжение при изменении входного напряжения или тока нагрузки благодаря изменению своего сопротивления. Линейный регулятор (стабилизатор) поэтому может быть очень неэффективным. Импульсный источник питания, однако, использует высокочастотный ключ (транзистор) с переменными величинами включенного-выключенного состояний, чтобы стабилизировать выходное напряжение. Пульсации выходного напряжения, вызванные ключевым режимом, отфильтрованы LC фильтром.
Таким образом, с большей периодичностью меньше ошибок, хотя нам нужна более высокая точность, и это прямо или косвенно повлияет на время конверсии, емкость и стоимость. Фаза кодирования присваивает двоичному числу значение, полученное в процессе квантования. Количество цифр, требуемых для заданного количества уровней, будет таким, чтобы количество интервалов было меньше, чем мощность 2, соответствующая количеству цифр.
Наконец, и хотя это не считается основной фазой аналого-цифрового преобразования, мы имеем операцию хранения. При этом закодированные данные будут храниться в запоминающем устройстве вместе с остальными образцами, скомпилированными ранее и упорядоченным образом.
ИИП могут понижать напряжение питания, так же, как и линейные. В отличие от линейного регулятора(стабилизатора), однако, ИИП может также увеличивать напряжение питания и инвертировать выходное напряжение. Типовые схемы применения даются ниже.
Типовое применение для понижающего импульсного (ключевого) регулятора:
Формирование напряжения 5 В для питания цепей ТТЛ от 12 В батареи (особенно если 12 В батарея ограниченной емкости, поскольку ключевые стабилизаторы гораздо более эффективны чем линейные стабилизаторы).
Обнаружение неисправностей инвертора
Причины, по которым мы выбираем тот или иной, в основном три: экономичность, время отклика и требования к хранению. Что касается экономических причин, то очевидно, что чем больше количество компонентов, которые переносит преобразователь, тем дороже будет интегральная схема.
Конкурс исследовательских работ учащихся
Мы столкнулись с единственным случаем, когда процессы квантификации и декодирования четко разделены. Первый случай выполняется компараторами, которые различают конечное число уровней напряжения. Эти компараторы получают аналоговый входной сигнал вместе с другим опорным напряжением для каждого из них. Когда опорные напряжения находятся в шахматном порядке, можно узнать, находится ли входной сигнал выше или ниже каждого из них, что позволит узнать состояние, соответствующее ему в результате количественной оценки.
Типовое применение для повышающего импульсного регулятора:
Формирование 25 В от напряжения 5 В для питания программируемого ПЗУ.
Типовое применение для инвертирующего импульсного регулятора:
Формирование двуполярного напряжения от однополярного для питания операционных усилителей.
Формирование отрицательного смещения для микросхем динамического ОЗУ.
Кроме того, следует отметить, что это высокоскоростной преобразователь, поскольку процесс преобразования является простым. Однако его полезность снижается в случаях низкого разрешения, потому что необходимо достаточно компараторов, которые требуют увеличения схемы, если она хочет получить высокое разрешение.
Конвертер в ширину импульса. Этот преобразователь преобразует неизвестное напряжение в временной интервал, который измеряется часами и счетчиком. Когда команда запуска преобразования принимается управляющим входом, схема начинает генерировать рампу и устанавливает выход триггера в 1. Этот уровень поддерживается до тех пор, пока рампа не превысит значение на аналоговом входе, и в это время выход триггера вернется к 0, и счетчик перестанет считать импульсы фиксированной частоты часов. Таким образом, поскольку длительность импульса на выходе триггера зависит от входного напряжения, выходы счетчика будут представлять их цифровое представление.
Термин импульсный регулятор используется для описания схемы, которая преобразует постоянное напряжение в выходной сигнал также постоянного напряжения той же самой или противоположной полярности более низкого или более высокого напряжения. Импульсные регуляторы используют дроссели и не обеспечивают гальванической развязки между входом и выходом.
Ограничения этого преобразователя несколько. Отсутствие линейности генератора рампы, что делает длительность импульса недостаточной. Время преобразования не фиксировано, но зависит от аналогового входа. Некоторые ограничения, упомянутые выше, можно избежать с помощью этого преобразователя. Это один из наиболее используемых на практике, особенно в случае приложений, требующих большой точности.
Основой работы этой схемы является также интегратор. В течение интервала, в котором наклон рампы поддерживается постоянным, тактовые импульсы подсчитываются снова, а счет, достигнутый в точке пересечения на 0 выходного сигнала интегратора, является желательным цифровым эквивалентным числом.
Термин импульсный преобразователь используется для описания схемы, которая преобразует постоянное напряжение в один или несколько выходных сигналов также постоянного напряжения более низкого или более высокого напряжения. Импульсные преобразователи используют трансформатор и обеспечивают гальваническую развязку (изоляцию) между входом и выходами, а также между выходами.
В качестве наиболее важной характеристики этого преобразователя мы можем подчеркнуть точность, благодаря независимости ее выхода относительно стабильности значения конденсатора или частоты часов, если они остаются постоянными во время процесса преобразования; Поэтому точность будет только функцией линейности рамп, подаваемых интегратором, и точностью ссылки.
Импульсные преобразователи напряжения с трансформаторами
Наконец, и в качестве недостатка, стоит упомянуть о необходимости очень длительного и переменного времени преобразования. Электронные продукты. Силовая ступень включает в себя переключающие элементы и преобразует входное напряжение в желаемый выход. Контроллер контролирует операцию переключения для регулировки выходного напряжения. Эти два связаны контуром обратной связи, который сравнивает фактическое выходное напряжение с требуемым выходом для получения ошибки напряжения.
Термин импульсный источник питания - ИИП (SMPS) используется для описания импульсных регуляторов и преобразователей.
2 Первичные ИИП
2.1 Прямоходовые и обратноходовые преобразователи
При обсуждении ИИП различной топологи часто упоминаются прямоходовые и обратноходовые преобразователи.
В прямоходовом ИИП источник энергии подает ток к выходному конденсатору, когда ключ замкнут.
Контроллер имеет решающее значение для стабильности и точности источника питания, и практически каждый проект использует методику широтно-импульсной модуляции для регулирования. Сначала было реализовано управление напряжением, но с недостатками - например, Медленный отклик на изменения нагрузки и усиление цепи, которые меняются в зависимости от входного напряжения, - которые привели инженеров к разработке альтернативного метода на основе тока.
Сегодня инженеры могут выбирать из широкого спектра силовых модулей, используя технику управления. Эти продукты включают технологию для преодоления основных недостатков предыдущего поколения. Проверка режима напряжения. Дизайнеры с задачей создания источника питания могут создать дискретный компонентный диск, отдельные компоненты для контроллера, блок питания или силовые модули, которые объединяют оба элемента в один чип.
Обратноходовой ИИП передает энергию от дросселя к выходному конденсатору, когда ключ разомкнут.
Прямоходовый (forward) преобразователь
Рисунок 1.
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.
Управляющее напряжение получается из разницы между фактическим выходным напряжением и желаемым выходным напряжением. На рисунке 2 показаны компоненты типичного переключающего регулятора. Этот этап преобразует входное напряжение в выходное напряжение. Секция регулятора напряжения состоит из усилителя ошибок с опорным напряжением на входе и выходом от делителя напряжения к другому. Разделитель напряжения питается от обратной связи с помощью обратной связи.
Преимущества управления режимом напряжения включают в себя: единый контур управления, который облегчает анализ проектов и схем, использование широкоформатной формы волны, обеспечивающей хороший запас шума для процесса стабильная модуляция и выходная мощность с низким импедансом, которая обеспечивает лучшее кросс-регулирование для источников питания с несколькими выходами.
Временные диаграммы напряжений и токов для прямоходового преобразователя показаны на рисунке 2.
Намагничивающий ток
Рисунок 2.
Выходное напряжение прямоходового преобразователя равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра и равно:
V out = V in x (n2/n1) x (T on x f)
Но у этой техники также есть некоторые заметные недостатки. Например, изменения в нагрузке должны сначала восприниматься как изменение выходного сигнала, а затем корректироваться контуром обратной связи, что приводит к медленному отклику. Выходной фильтр усложняет компенсацию схемы, что может быть еще более затруднено из-за того, что коэффициент усиления кольца изменяется с входным напряжением.
Проверка текущего режима. В 1980-х годах инженеры разработали альтернативный метод переключения напряжения регулятора, который решил недостатки метода управления напряжением. Текущее управление режимом решает проблему медленного отклика управления режимом напряжения, поскольку ток индуктора увеличивается с наклоном, определяемым разностью между входным и выходным напряжениями, а затем сразу же реагирует на изменения напряжения линии или Другим преимуществом является то, что управление текущим режимом исключает изменение коэффициента усиления кольца, повторно поглощая входное напряжение метода управления режимом напряжения.
где:
T on
- время включенного состояния ключа
f - частота переключения
Обратноходовый (flyback) преобразователь
Рисунок 3.
Выходное напряжение для обратноходового преобразователя (трапецеидальная форма электрического тока) может быть рассчитано следующим образом:
Кроме того, поскольку в режиме управления током усилитель ошибки управляет выходным током, а не напряжением, эффект выходного индуктора на ответ цепи минимизируется, и компенсация становится легче. Он также имеет полосу усиления больше, чем устройство управления напряжением.
Дополнительные преимущества управления режимом тока включают в себя присущее ограничение импульса импульсного тока из-за зажима команды от усилителя ошибок и упрощенного распределения нагрузки при использовании нескольких параллельных блоков питания. Некоторое время казалось, что контроль над текущим режимом отбросил контроль над режимом напряжения. Однако спустя некоторое время инженеры обнаружили, что контроллеры управления мощностью принесли новые трудности с планированием.
V out =V in x (n2/n1) x (T on x f) x (1/(1-(T on x f)))
где:
n2 - число витков вторичной обмотки T1
n1 - число витков первичной обмотки T1
T on
- время включенного состояния ключа Q1
Cхема управления контролирует V out и управляет скважностью (временем включенного состояния ключа Q1).
Если V in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность.
Основным недостатком является то, что анализ схемы затруднен, поскольку в топологии контроллера теперь есть две петли обратной связи. Второе осложнение - это нестабильность «внутреннего» контура управления при более чем 50% рабочих циклах. Дальнейшая проблема возникает из-за того, что, поскольку контрольное кольцо получено из выходного тока индуктора, резонансы от силовой ступени могут вводить шум в этот внутренний контур управления. 3.
Ограничение контроллера с режимом текущего режима до рабочих циклов менее 50% накладывает серьезные ограничения на входное напряжение устройства. К счастью, можно решить проблему неустойчивости, «впрыскивая» небольшое количество компенсации наклона во внутреннее кольцо.
Заметим, что выходное напряжение меняется, когда изменяется коэффициент заполнения, T on x f. Однако зависимость между выходным напряжением и коэффициентом заполнения - не линейна, как имела место в прямоходовом преобразователе, это - гиперболическая функция.
Ток в обратноходовом преобразователе может иметь или трапецеидальную, или пилообразную форму. Трапецеидальная форма тока будет в том случае, если ключевой транзистор включается до того, как ток во вторичной обмотке спадет до нуля. Если пилообразный ток во вторичной обмотке успевает достичь нуля, то появляется "мертвое время", когда нет никакого тока ни в вторичной обмотке, ни в первичной.
Компенсация наклона получается путем вычитания формы сигнала пильного диска с выхода усилителя ошибок. В качестве альтернативы, напряжение наклона компенсации может быть непосредственно добавлено к сигналу тока индуктора. Математический анализ показывает, что для обеспечения устойчивости токового кольца наклон компенсационной рампы должен быть больше половины угла наклона волны тока.
На рынке существует множество контроллеров с управлением текущим режимом. Максимальный выходной ток составляет 3 А, а максимальный КПД составляет от 90 до 95%, в зависимости от входного напряжения. Устройство обеспечивает эффективность до 93% и предназначено для мобильных приложений, таких как ноутбуки и промышленное измерительное оборудование. Возрождение режима натяжения.
Рисунок 4.
2.2 Двухтактный (Push Pull) преобразователь
Рисунок 5.
Двухтактный преобразователь относится к числу прямоходовых. Как показано на рисунке 5, когда ключ Q1 включен, ток течет 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 смещен в прямом, а D1 - в обратном направлении. D2 проводит и заряжает выходнй 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 течет через нижнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет в противоположном направлении. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D1 смещен в прямом, а D2 - в обратном направлении. D1 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1. После окончания мертвого времени включается ключ Q1 и процесс повторяется.
Список некоторых каталогов поставщиков силиконов показывает, что регуляторы с контролем напряжения не исчезли. Причиной этого является то, что основные недостатки устройств предыдущего поколения были решены с использованием технологии, называемой контролем подачи напряжения.
Это обеспечивает соответствующую и корректирующую модуляцию рабочего цикла независимо от петли обратной связи. Этот метод улучшает ответ схемы на нагрузку и переходные процессы линии, устраняя чувствительность в присутствии входного фильтра. Управление напряжением питания также стабилизирует коэффициент усиления кольца, так что он больше не изменяется с входным напряжением. Небольшой недостаток - это относительное увеличение сложности схемы, потому что датчик необходим для обнаружения входного напряжения.
Имеются два важных соображения, касающиеся двухтактного преобразователя:
- Оба транзистора не должны проводить одновременно, поскольку это было бы эквивалентно короткому замыканию источника питания. Это означает, что время включенного состояния каждого ключа не должно превышать половину периода, иначе наложатся проводящие состояния ключей.
- Магнитный режим обеих половин первичной обмотки (вольт-секундные площадки) должен быть строго одинаков, иначе трансформатор может войти в насыщение, и это вызвало бы выход из строя ключей Q1 и Q2.
Эти критерии должны удовлетворяться схемой управления и драйвером.
Выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра:
V out = V in x (n2/n1) x f x (T on, q1 + T on, q2)
где:
V out
- среднее выходное напряжение - В
V in
- Напряжение питания - В
n2 - число витков вторичной обмотки
n1 - половина общего числа витков первичной обмотки
f - частота переключения - Гц
T on, q1
- время включенного состояния ключа Q1 - с
T on, q2
- время включенного состояния ключа Q2 - с
Cхема управления контролирует V out и управляет включенным состоянием ключей Q1 и Q2.
Если V in увеличивается, схема управления уменьшит скважность, чтобы сохранить постоянное выходное напряжение. Аналогично, если ток нагрузки уменьшится и V out увеличится, схема управления будет действовать таким же образом. Наоборот, уменьшение V in или увеличение тока нагрузки увеличит скважность. Временные диаграммы на рисунке 6 показывают токи двухтактного преобразователя.
Рисунок 6.
2.3 Полумостовой преобразователь
Рисунок 7.
Полумостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки. Этот тип преобразователя применяется в преобразователях большой мощности.
Для полумостового преобразователя выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра.
V out = (V in /2) x (n2/n1) x f x (T on,q1 + T on,q2)
где:
f - рабочая частота - Гц
Заметим, что T on,q1 должно быть равно T on,q2 и что Q1 и Q2 никогда не должны проводить одновременно.
Схема управления полумостового преобразователя подобна схеме управления двухтактного преобразователя.
2.4 Мостовой преобразователь
Рисунок 8.
Мостовой преобразователь подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки. Этот тип преобразователя применяется в преобразователях большой мощности.
Для мостового преобразователя выходное напряжение V out равно среднему значению напряжения на входе LC фильтра.
V out = V in x (n2/n1) x f x (T on,q1 + T on,q2)
где:
V out
- выходное напряжение - В
V in
- входное напряжение - В
n2 - 0.5 x количество витков вторичной обмотки
n1 - количество витков первичной обмотки
f - рабочая частота - Гц
T on,q1
- время включенного состояния ключа Q1 - с
T on,q2
- время включенного состояния ключа Q2 - с
Диагональные пары транзисторов поочередно проводят, таким образом достигая изменения 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 контролирует Vout и управляет скважностью импульсов управления ключей Q1, Q2, Q3 и Q4.
Схема управления работает так же, как и для двухтактного и полумостового преобразователя, за исключением того, что надо управлять четырьмя транзисторами, а не двумя.
3 Вторичные ИИП
Импульсный источник питания, который дает низкое напряжение, изолированный от первичного источника, часто называется вторичным ИИП. Типичная блок-схема такого источника питания показана на рисунке 9.
Рисунок 9.
Фильтр, показанный в левой части блок-схемы, необходим для предотвращения попадания в сет помех из источника питания. Он также помогает предохранять цепи ИИП от импульсов напряжения (или скачки напряжения) в сети переменного тока.
Типовая силовая часть такой схемы показана на рисунке 10.
Рисунок 10.
Конденсатор при питании от сети переменного тока 220 В заряжается до напряжения приблизительно 310 В (340 В для 240 В). Резистор R1 - низкоомный (номинал от 2 до 4 Ом), который предохраняет схему от бросков тока при заряде конденсатора C1 во время подачи питания. Q1 - высоковольтный МОП-транзистор, который используется в качестве быстродействующего ключа, переключающего импульс питающего тока в ферритовом высокочастотном трансформаторе T1. Частота переключения обычно лежит в диапазоне от 25 до 250 кГц. Элементы R2 и C2 составляют защитную цепь (snubber), которая уменьшает выбросы напряжения и шумы переключателя. Стабилизация достигается благодаря контролю за выходным напряжением в точке "FB" и регулирования ширины входных импульсов драйвера ключа Q1. Предохранитель FS2 необходим для защиты от короткого замыкания и перегрузки. FS2 иногда заменяется датчиком тока, который запирает при перегрузке драйвер ключа Q1.
4 Импульсные преобразователи
В регулируемом линейном источнике питания силовой трансформатор промышленной частоты используется для изоляции, а затем выпрямитель и линейный регулятор используются для формирования выходного напряжения.
В управляемом ИИП изоляция и регулирование объединены в единое целое, имеющее высокий КПД. В ИИП используется маленький высокочастотный трансформатор, обычно работающий в диапазоне частот от 25 до 250 кГц (хотя в маломощных ИИП до 1 МГц).
Трансформаторы и дроссели, используемые для ИИП, имеют ферритовые сердечники в противоположность листовым железным сердечникам их более низкочастотных двойников. Трансформаторы ИИП вообще имеют меньшее количество витков в обмотках чем трансформаторы промышленной частоты.
4.1 Однотактный преобразователь напряжения
Однотактный преобразователь напряжения содержит трансформатор, первичная обмотка которого состоит из двух частей с числом витков w1 и w2, первый транзистор, соединенный с блоком управления, и второй транзистор, шунтированный обратным диодом. Между эмиттерами транзисторов включен конденсатор. Коллекторы первого и второго транзисторов соединены с крайними выводами обмоток трансформатора. Кроме того, коллектор первого транзистора через резистор, шунтированный последовательной RC-цепью, образующие токозадающую цепь, соединен с входом управления второго транзистора.
В качестве первого и второго транзисторов в данном преобразователе могут быть использованы любые другие ключевые элементы, например, МОП транзисторы и т.д.
Однотактный преобразователь постоянного напряжения работает следующим образом.
При поступлении отпирающего сигнала на базу транзистора последний открывается, к обмотке трансформатора прикладывается входное напряжение. При этом к управляющему переходу транзистора прикладывается запирающее напряжение, практически равное напряжению конденсатора, и он запирается. Через второй транзистор протекает сумма токов намагничивания сердечника трансформатора и нагрузки. По окончании управляющего импульса транзистор запирается, ток намагничивания замыкается через диод, конденсатор и обмотку. К управляющему электроду второго транзистора прикладывается отпирающее напряжение, равное разности коллекторного напряжения первого транзистора и напряжения конденсатора. Второй транзистор отпирается, обеспечивая протекание тока намагничивания в обратном направлении.
Благодаря конденсатору ток намагничивания протекает непрерывно в течение всего периода следования импульсов с блока управления и среднее значение этого тока равно нулю. Это приводит к тому, что размагничивающее напряжение прикладывается к обмотке в течение всего времени запертого состояния первого транзистора, а перемагничивание сердечника трансформатора осуществляется по полному циклу с малой амплитудой тока намагничивания.
Таким образом, в предложенном устройстве уменьшены потери мощности на резисторе, включенном в управляющей цепи дополнительного ключа, за счет снижения напряжения на нем.
4.2 Импульсный однотактный преобразователь постоянного напряжения . Конвертор.
Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) регулируют выходное напряжение (напряжение на нагрузке) путём изменения времени подачи напряжения Uo на нагрузку Zн. Чаще всего применяют широтно-импульсный (ШИР) и частотно-импульсный (ЧИР) способы регулирования. Принцип действия ИППН основан на ключевом режиме транзистора или тиристора, которые периодически прерывают цепь подачи напряжения U0 в нагрузку (Рисунок 11). При широтно-импульсном способе выходное напряжение регулируют изменением длительности выходных импульсов tи (рисунок 12) при неизменном периоде их следования Т. Тогда среднее значение выходного напряжения преобразователя будет определяться по формуле Uн.ср=(tи/T)*Uо. Следовательно, выходное напряжение регулируют от нуля (при tи=0) до Uо(tи=T).
Рисунок 11.
Рисунок 12.
На рисунке 13 изображена схема широко распространённого ИППН . Такой преобразователь называют однотактным. В качестве ключа служит тиристор. Между нагрузкой Z н и тиристором включен сглаживающий LC-фильтр.
Рисунок 13.
Диод Д, выполняющий функции обратного диода, необходим для создания электрической цепи для тока нагрузки при выключенном тиристоре.
Однотактные ИППН работают при мощности 100 кВт. Если требуется большая мощность, прибегают к многотактным ИППН.
Во всех ИППН отпирание проводниковых ключей производится путём принудительной подачи на тиристор (транзистор) коммутирующих импульсов, запирание же тиристоров осуществляется напряжением периодически перезаряжаемого конденсатора. Естественно, что коммутационный блок в ИППН имеет некоторое отличие от подобных блоков в автономных инверторах.
Отметим, что регулирование постоянного напряжения на нагрузке при питании от сети переменного тока можно осуществить с помощью ИППН. Небольшое падение напряжения на открытом полупроводниковом ключе и очень малый ток при его запертом состоянии определяют высокий КПД импульсных преобразователей постоянного напряжения. В этом отношении неуправляемый выпрямитель, работающий в паре с ИППН, успешно конкурирует с управляемым выпрямителем.
Преимущество импульсных преобразователей постоянного напряжения по сравнению с конверторами с самовозбуждением является то, что в ИППН в качестве ключей применяют тиристоры, которые в настоящее время выпускаются на напряжения до нескольких киловольт. Это позволяет создать конверторы большой мощности (свыше 100 кВт) с высоким КПД, меньшими габаритами и массой. Конверторы получили широкое применение в установках, в которых первичным источником электропитания являются контактная сеть, аккумуляторы, солнечные и атомные батарейки, термоэлектрические генераторы.
5 Заключение
5.1 Электромагнитные и радиопомехи, создаваемые ИИП
Известно, что импульсные источники питания создают электромагнитные и радиопомехи. НЧ фильтры в подводящих проводах жизненно важны для уменьшения наводок по цепям питания. Экран Фарадея между обмотками трансформатора и вокруг чувствительных компонентов вместе с правильным расположением в блоке цепей, компенсирующим поля, также уменьшают электромагнитные и радиопомехи. Проблема сглаживания тока пилообразной формы требует применения фильтрового конденсатора. Индуктивность и сопротивление (последовательно включенные) стандартных электролитических конденсаторов влияют на пульсации и напряжения шума в выходных сигналах. Линейные источники питания не имеют себе равных в маломощных и очень малошумящих с низкими пульсациями в выходных сигналах источниках.
5.2 Интегральные микросхемы для ИИП
Mullard:
TDA2640
TDA2581
SGS:
L4960
Диапазон входного напряжения - 9 - 50 В постоянного тока
Регулируемое выходное напряжение - от 5 до 40 В
Максимальный выходной ток - 2.5 А
Максимальная выходная мощность - 100 Вт
Встроенная схема плавного включения
Стабильность внутреннего опорного источника - +\- 4 %
Требует очень небольшого числа навесных компонентов
Коэффициент заполнения - 0 - 1
Высокий КПД - выше 90 %
Встроенная тепловая защита от перегрузки: микросхема выключается, когда температура pn-перехода достигает 150 град. C.
Встроенный ограничитель тока для защиты от короткого замыкания
L4962 (16-выводной DIP корпус. Выходной ток до 1.5 А)
L4964 (специальный 15- выводной корпус. Выходной ток до 4 А)
Texas Instruments:
TL494
TL497
TL497 имеет генератор с фиксированным временем включенного состояния, но с переменной выходной частотой. Это дает минимальное количество навесных элементов. Время включенного состояния определяется значением емкости конденсатора, подключенного между выводом 3 и землей.
Рисунок 14.
5.3 Режим повторных включений ИИП
В импульсных источниках питания такой режим часто используется для ограничения выходного тока. Если ИИП перегружен, схема выключается. После некоторого интервала времени он включается, если перегрузка все еще существует, он немедленно выключается. На некоторых конструкциях, если это случается несколько раз, питание отключается, пока не будет сброшена блокировка схемы.
5.4 ИИП с поддержкой питания
Некоторые "более автономные" ИИП разработаны так, чтобы сохранить устойчивое выходное напряжение более чем несколько периодов при отключении входного питания. Это может быть достигнуто установкой входного конденсатора большой емкости, такой, что его напряжение не будет существенно падать в течение перерывов подачи энергии. Период времени, в течение которого ИИП поддерживает выходное напряжение, когда отсутствует входное, часто называют "временем поддержки питания".
6 Литература
1. INTERNET:
SGS Power Supply Application manual
Motorola Power MOSFET Transistor Databook
Unitrode Semiconductor Databook
Unitrode Applications Handbook
Transformer Core Selection for SMPS, Mullard
Soft Ferrites - Properties and Applications, E.C. Snelling
Switchmode - A Designer"s Guide, Motorola
SMPS Technology and Components, Siemens
Texas Instruments Linear Circuits Databook
Analogue Electronics Handbook, T.H. Collins
Smith, K.L. Ph.D. (University of Kent), "D.C. Supplies from A.C. Sources", Electronics & Wireless World, September 1984.
Иванов В.С., Панфилов Д.И. Компоненты силовой электроники фирмы MOTOROLA. - М.: ДОДЭКА, 1998
Силовые полупроводниковые приборы International Rectifier. Пер. п/р В.В.Токарева. - Воронеж, 1995
Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Изд. 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000
Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989
Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Импульсные регуляторы и преобразователи постоянного напряжения. - М.: Изд-во МЭИ, 1998
Однако, цена подобного устройства средней мощности (300-500 Вт) составляет несколько тысяч рублей, а надежность многих китайских инверторов достаточно спорна. Изготовление своими руками простого преобразователя – это не только способ ощутимо сэкономить, но и возможность улучшить свои знания в электронике. В случае отказа же ремонт самодельной схемы окажется ощутимо проще.
Распространенные схемы
Простой импульсный преобразователь
Схема этого устройства очень проста , а большинство деталей могут быть извлечены из ненужного . Конечно, у нее есть и ощутимый недостаток – получаемое на выходе трансформатора напряжение 220 вольт далеко по форме от синусоидального и имеет частоту значительно больше, чем принятые 50 Гц. Напрямую подключать к нему электродвигатели или чувствительную электронику нельзя.
Для того, чтобы иметь возможность подключать к этому инвертору содержащую импульсные блоки питания технику (например, блок питания ноутбука), применено интересное решение – на выходе трансформатора установлен выпрямитель со сглаживающими конденсаторами . Правда, работать подключенный адаптер сможет только в одном положении розетки, когда полярность выходного напряжения совпадет с направлением встроенного в адаптер выпрямителя. Простые потребители типа ламп накаливания или паяльника можно подключать непосредственно к выходу трансформатора TR1.
Основа приведенной схемы – это ШИМ-контроллер TL494, наиболее распространенный в таких устройствах. Частоту работы преобразователя задают резистор R1 и конденсатор C2, их номиналы можно брать несколько отличающимися от указанных без заметного изменения в работе схемы.
Для большей эффективности схема преобразователя включает в себя два плеча на силовых полевых транзисторах Q1 и Q2. Эти транзисторы нужно разместить на алюминиевых радиаторах, если предполагается использовать общий радиатор – устанавливайте транзисторы через изоляционные прокладки. Вместо указанных на схеме IRFZ44 можно использовать близкие по параметрам IRFZ46 или IRFZ48.
Выходной дроссель наматывается на ферритовом кольце от дросселя, также извлекаемого из . Первичная обмотка мотается проводом диаметром 0,6 мм и имеет 10 витков с отводом от середины. Поверх нее наматывается вторичная обмотка, содержащая 80 витков. Также можно взять выходной трансформатор из сломанного источника бесперебойного питания.
Вместо высокочастотных диодов D1 и D2 можно взять диоды типов FR107, FR207.
Так как схема очень проста, после включения при правильном монтаже она начнет работать сразу и не потребует никакой настройки. Отдавать в нагрузку она сможет ток до 2,5 А, но оптимальным режимом работы будет ток не более 1,5 А – а это более 300 Вт мощности.
Готовый инвертор такой мощности стоил бы порядка трех-четырех тысяч рублей .
Эта схема выполнена на отечественных комплектующих и достаточно стара, но это не делает ее менее эффективной. Главное ее достоинство – это получение на выходе полноценного переменного тока с напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц.
Здесь генератор колебаний выполнен на микросхеме К561ТМ2, представляющей собой сдвоенный D-триггер. Она является полным аналогом зарубежной микросхемы CD4013 и может быть заменена ей без изменений в схеме.
Преобразователь также имеет два силовых плеча на биполярных транзисторах КТ827А. Их главный недостаток по сравнению с современными полевыми – это большее сопротивление в открытом состоянии, из-за чего нагрев при той же коммутируемой мощности у них сильнее.
Так как преобразователь работает на низкой частоте, трансформатор должен иметь мощный стальной сердечник . Автор схемы предлагает использовать распространенный советский сетевой трансформатор ТС-180.
Как и другие инверторы на основе простых ШИМ-схем, этот преобразователь имеет на выходе достаточно отличающуюся от синусоидальной форму напряжения, но это несколько сглаживается большой индуктивностью обмоток трансформатора и выходным конденсатором С7. Также из-за этого трансформатор во время работы может издавать ощутимый гул – это не является признаком неисправности схемы.
Простой инвертор на транзисторах
Этот преобразователь работает по тому же принципу, что и перечисленные выше схемы, но генератор прямоугольных импульсов (мультивибратор) в нем построен на биполярных транзисторах.
Особенность этой схемы в том, что она сохраняет работоспособность даже на сильно разряженном аккумуляторе: диапазон входных напряжений составляет 3,5…18 вольт. Но, так как в ней отсутствует какая-либо стабилизация выходного напряжения, при разрядке аккумулятора будет одновременно пропорционально падать и напряжение на нагрузке.
Так как эта схема также является низкочастотной, трансформатор потребуется аналогичный используемому в инверторе на основе К561ТМ2.
Усовершенствования схем инверторов
Приведенные в статье устройства крайне просты и по ряду функций не могут сравниться с заводскими аналогами . Для улучшения их характеристик можно прибегнуть к несложным переделкам, которые к тому же позволят лучше понять принципы работы импульсных преобразователей.
Увеличение выходной мощности
Все описанные устройства работают по одному принципу: через ключевой элемент (выходной транзистор плеча) первичная обмотка трансформатора соединяется с входом питания на время, заданное частотой и скважностью задающего генератора. При этом генерируются импульсы магнитного поля, возбуждающие во вторичной обмотке трансформатора синфазные импульсы с напряжением, равным напряжению в первичной обмотке, умноженному на отношение числа витков в обмотках.
Следовательно, ток, протекающий через выходной транзистор, равен току нагрузки, помноженному на обратное соотношение витков (коэффициент трансформации). Именно максимальный ток, который может пропускать через себя транзистор, и определяет максимальную мощность преобразователя.
Существуют два способа увеличения мощности инвертора: либо применить более мощный транзистор, либо применить параллельное включение нескольких менее мощных транзисторов в одном плече. Для самодельного преобразователя второй способ предпочтительнее, так как позволяет не только применить более дешевые детали, но и сохраняет работоспособность преобразователя при отказе одного из транзисторов. В отсутствие встроенной защиты от перегрузок такое решение значительно повысит надежность самодельного прибора. Уменьшится и нагрев транзисторов при их работе на прежней нагрузке.
На примере последней схемы это будет выглядеть так:
Автоматическое отключение при разряде аккумулятора
Отсутствие в схеме преобразователя устройства, автоматически отключающего его при критическом падении напряжения питания, может серьезно подвести Вас , если оставить такой инвертор подключенным к аккумулятору автомобиля. Дополнить самодельный инвертор автоматическим контролем будет крайне полезно.
Простейший автоматический выключатель нагрузки можно сделать из автомобильного реле:
Как известно, каждое реле имеет определенное напряжение, при котором замыкаются его контакты. Подбором сопротивления резистора R1 (оно будет составлять около 10% от сопротивления обмотки реле) настраивается момент, когда реле разорвет контакты и прекратит подачу тока на инвертор.
ПРИМЕР : Возьмем реле с напряжением срабатывания (U р) 9 вольт и сопротивлением обмотки (R о) 330 ом. Чтобы оно срабатывало при напряжении выше 11 вольт (U min) , последовательно с обмоткой нужно включить резистор с сопротивлением R н, рассчитываемым из условия равенства U р / R о =(U min — U р)/ R н. В нашем случае потребуется резистор на 73 ома, ближайший стандартный номинал – 68 ом.
Конечно, это устройство крайне примитивно и является скорее разминкой для ума. Для более стабильной работы его нужно дополнить несложной схемой управления, которая поддерживает порог отключения гораздо точнее:
Регулировка порога срабатывания осуществляется подбором резистора R3.
Предлагаем посмотреть видео по теме
Обнаружение неисправностей инвертора
Перечисленные простые схемы имеют две наиболее распространенных неисправности – либо на выходе трансформатора отсутствует напряжение, либо оно слишком мало.
- Первый случай – это либо одновременный отказ обоих плеч преобразователя, что маловероятно, либо отказ ШИМ-генератора. Для проверки воспользуйтесь светодиодным пробником, какой можно приобрести в любом магазине радиодеталей. Если ШИМ работает, на затворах транзисторов Вы увидите наличие сигнала по быстрым пульсациям свечения диода (особенно хорошо это заметно в низкочастотных схемах). При наличии управляющего сигнала проверьте, нет ли обрывов в соединениях трансформатора и целостность его обмотки.
- Большое падение напряжения – это явный признак отказа одного из силовых плеч инвертора. Найти отказавший транзистор можно простейшим образом – его радиатор останется холодным. Замена ключа вернет инвертору работоспособность.
Заключение
Как можно понять из материалов статьи, сделать своими руками несложный преобразователь 12 – 220 вольт не так и трудно.
И, хотя такие устройства и не смогут сравниться по набору дополнительных функций или привлекательности внешнего вида с заводскими, они обойдутся хозяину значительно дешевле. При соблюдении правил эксплуатации самодельный преобразователь будет работать очень долго, ведь в таком простом устройстве практически нечему ломаться.
Напоследок предлагаем посмотреть еще один видеоматериал, про изготовление устройства из БП компьютера