Конструирование импульсных источников питания – ЧАСТЬ 1

October 29, 2014 by admin Комментировать »

Ю. Владимиров, Москва

Введение

Любому электронному устройству необходим источник питания. Для большинства электронных устройств, питающихся от сети 220 В, этот источник должен удовлетворять следующим требованиям:

•     гальванически развязать первичную и вторичные цепи;

•          выдавать одно или несколько стабилизированных напряжений, причем эти напряжения должны оставаться в пределах нормы при возможных колебаниях напряжения питающей сети и изменениях нагрузки;

•          быть защищенным от перегрузок и; коротких замыканий и автоматически восстанавливать работоспособность при снятии перегрузки;

•          не создавать бросков тока в питающей сети при включении или выключении;

•     не быть источником помех;

•     иметь высокий КПД, что снимает проблемы с отводом тепла; , быть по возможности простым в изготовлении и настройке;

•     быть недорогим.                                                                         ^

Классический предельно простой линейный стабилизатор является приемлемым решением этой проблемы при выходных токах до сотен мА. Но если требуется выходной ток 1 А и более, то начинаются сложности. КПД линейного стабилизатора редко превышает 50%. При выходном напряжении 5 В и токе 3 А такой стабилизатор рассеивает до 15 Вт — поэтому приходится применять дорогие, громоздкие и тяжелые радиаторы, усложнять конструкцию и т. д.

В настоящее время широко используются импульсные источники питания. В них сетевое напряжение выпрямляется, преобразуется в короткие импульсы, следующие с большой частотой, и в таком виде подаются на трансформатор. Формирование импульсов выполняется транзисторными ключами, что обеспечивает малые потери мощности. Частота преобразования выбирается обычно в пределах десятков-со-

тен кГц. При этом трансформатор оказывается во много раз меньше, чем при частоте сети 50 Гц. После трансформатора напряжение вторичной обмотки выпрямляется и выдается в нагрузку. В таком преобразователе достаточно просто осуществить стабилизацию выходного напряжения за счет изменения длительности формируемых импульсов посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Реально достижимый КПД при этом достигает 90%. Широкий выбор сравнительно недорогих специализированных микросхем для импульсных источников позволяет снизить их стоимость.

К сожалению, в литературе практически нет простых и ясных методик и рекомендаций, позволяющих грамотно проектировать импульсные источники питания. Настоящая статья — это попытка в какой-то степени заполнить пробел. В первую очередь она адресована тем, кто впервые решил изготовить импульсный источник, а также тем, кому некогда разбираться в дебрях теории, а нужен готовый результат. Для чтения статьи требуются знания физики и электроники в объеме средней школы (при условии, конечно, что человек читал «Радио», «Схемотехнику» и прочие подобные издания). При написании основной упор делался не на создание глобальных теорий, а на получение рабочих формул, удобных для инженерного проектирования. Помимо расчетного материала, приводится много практических рекомендаций, основанных на опыте проектирования и изготовления подобных типов источников.

В статье рассматривается самый распространенный класс импульсных источников — обратноходовые преобразователи.

1.          Краткая теория работы обратноходовых преобразователей

Основу каждого импульсного источника питания составляет импульсный преобразователь. Импульсный преобразователь — это устройство, в котором входное напряжение посредством периодического замыкания и размыкания силовых ключей превращается в импульсы с достаточно высокой частотой следования (обычно десятки кГц и более). Далее импульсы передаются через импульсный трансформатор во вторичную цепь и выпрямляются. Все силовые элементы импульсного преобразователя работают в ключевом режиме «включен/выключен», поэтому, в отличие от линейных схем, потери невелики, и достигается высокий КПД. Стараниями тысяч разработчиков наработано великое множество типов импульсных преобразователей — однотактные, двухтактные и мостовые, с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ), с возвратными обмотками и без таковых и еще множество других. ДАя преобразователей с выходной мощностью до 100 Вт чаще всего используются однотактные схемы, поскольку для их реализации, кроме схемы управления, требуется всего один мощный транзистор. Существуют две основных схемы однотакгных преобразователей — прямоходовой и обратноходовой преобразователь. Наибольшее распространение получил обратноходовой преобразователь.

Рис. 3.2. Форма напряжений и токов обратноходового преобразователя

Рис. 3.1. Упрощенная схема обратноходового преобразователя

В нем передача энергии в цепь нагрузки осуществляется при разомкнутом состояния ключа («на обратном ходе цикла»). При замкнутом ключе («прямой ход») осуществляется накопление энергии в магнитном поле сердечника. В прямоходовом преобразователе передача энергии в выходную цепь происходит «на прямом ходе цикла» — при замкнутом состоянии ключа.

Упрощенная схема обратноходового преобразователя приведена на рис. 3.1. Форма напряжений и токов показана на рис. 3.2.

Схема состоит из ключа S, трансформатора Тр, диода VD и конденсатора фильтра Сф. Ключ S периодически замыкается и размыкается с периодом переключения Т. Время замкнутого состояния — tp. Первичная обмотка трансформатора Тр содержит п, витков и имеет индуктивность L1. Вторичная — соответственно п2 и L2. Потери в трансформаторе пренебрежи-

мо малы. Чтобы излишне не усложнять анализ работы преобразователя положим, что диод D открывается и закрывается мгновенно и имеет нулевое прямое падение напряжения, а конденсатор Сф имеет такую большую емкость, что за период переключения Т он не успевает заметно перезарядиться, т. е. напряжение на нем практически не изменяется. Положим, что переходные процессы закончились и конденсатор С заряжен до напряжения U^,.

За время открытого состояния ключа tp приращение тока ключа dl, будет равно

При замыкании ключа S через него начинает протекать ток, который увеличивается по закону

Обмотки намотаны таким образом, что напряжение U2 на вторичной обмотке трансформатора при открытом ключе отрицательное. Поэтому диод D закрыт, и ток в цепи вторичной обмотки не течет. При этом в магнитном поле сердечника трансформатора запасается энергия

Когда ключ S размыкается, напряжение на вторичной обмотке становится положительным, напряжение U2 на аноде диода становится положительным, диод D открывается и через него начинает протекать ток Id. Запасенная в магнитном поле энергия передается через диод в нагрузку и конденсатор С:

Запасенная энергия выдается в цепь нагрузки через вторичную обмотку, которая при разомкнутом ключе подключена только к нагрузке (через диод). Первичная обмотка при этом разомкнута и не влияет на вторичную. То есть оказывается, что трансформатор на «обратном ходе» вовсе не трансформатор, а просто индуктивность L2, в магнитном поле которой запасена энергия Е*,, и эта индуктивность отдает запасенную энергию в нагрузку. Говоря проще — трансформатор на «обратном ходе» превращается в дроссель с индуктивностью, равной индуктивности вторичной обмотки. Это одно из достоинств обратноходового преобразователя по сравнению с прямоходовым — в последнем в цепи выпрямительного диода обязательно должен быть включен дроссель. Это достоинство особенно становится заметным, если пре- •^рюсгкйель вырабатывает несколько выходных напряжений и имеет несколько вторичных обмоток и несколько выпрямителей.

Но вернемся к описанию работы обратноходового преобразователя. В установившемся режиме

т. е. сколько энергии запасено магнитным полем за время открытого состояния ключа, столько и передается в нагрузку за время закрытого состояния ключа. Подставляя 1.3 и 1.4 в 1.5 и учитывая, что

нетрудно получить выражения для выходного напряжения UBbIX и напряжения ир (рис. 3.2, а):

! В формулах 1.7,1.8 введена величина рабочего циклакото-

| рая будет использоваться далее. Следует особо отметить, что выходное напряжение иш прямо зависит от величины «добавки напряжения» Up, а не от входного напряжения U„. Изменяя величину рабочего цикла D (т. е. изменяя относительною ширину импульса тока ключа), можно изменять выходное напряжение иш.

Далее можно вывести выражения для токов. Введем понятия среднего импульсного тока ключа 1„ и среднего импульсного тока диода 1* (рис. 3.2, а). Для этих токов справедливы отношения:

Отсюда средний импульсный ток ключа S:

Средний ток, потребляемый от источника Un:

Средний импульсный ток диода:

Источник: Под редакцией А. Я. Грифа, Оригинальные схемы и конструкции. Творить вместе! — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 200 с.: ил. – (Серия «СОЛОН – РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ», вып. 23)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты