Импульсные блоки питания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

 высшего профессионального  образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Институт физики высоких  технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Тема: «Импульсные блоки питания»

 

 

Работу выполнил

студент группы  __________________

(дата, подпись)

 

Руководитель _________________________

(дата, подпись)

 

Томск – 2012

 

 

Содержание

Введение………………………………………………………………………….3

Основная часть………………………………………………………………...4-12

1. Импульсные блоки питания. Основные принципы работы…………..4-5
2. ШИМ контроллер………………………………………………………….6
3. Цепи слежения……………………………………………………………..7
4. Короткое замыкание ………………………………………………………8
5. Сравнение ИБП и ТБП…………………………………………………9-10
6. Применение…………………………………………………………....11-12

Заключение………………………………………………………………………13

Список использованной литературы…………………………………………..14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Для работы большинства электронных  устройств необходимо наличие одного или нескольких блоков питания (БП) постоянного тока. БП является важным узлом схемы устройства, в котором из переменного напряжения питающей сети образуются все необходимые для его работы постоянные напряжения. В подавляющем большинстве  устройств используются импульсные схемы БП из-за их высоких энергетических показателей и стабильности.

Основной функцией источника  электропитания является обеспечение  стабильного заданного выходного  напряжения при изменении в широких  пределах входного напряжения, выходного  тока и рабочей температуры. Степень, с которой источник электропитания обеспечивает стабильность выходного  напряжения в вышеприведенных условиях, является основным показателем качества источника.

В наше время к источникам питания предъявляются разнообразные  и подчас противоречивые требования, в зависимости от которых подбирают подходящий БП из существующих или создают новый.

В данной работе мы рассмотрим один из самых распространенных в  наше время блоков питания – импульсный, принцип его работы, преимущества и недостатки, сравним с трансформаторным блоком питания.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Импульсные блоки питания. Основные принципы работы

Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается  в преобразовании сетевого переменного  напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное  напряжение прямоугольной формы, которое  трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и  импульсного трансформатора, вместе образующих схему высокочастотного преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый – выполняется по схеме импульсного автогенератора и второй – с внешним управлением.

Поскольку частота преобразователя  обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры  импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.

Упрощенная схема импульсного  преобразователя с внешним управлением  приведена на рисунке 1.

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, так как энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ШИМ контроллер

ШИМ – широтно – импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера  входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью  импульса.

Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера  «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Цепи слежения

В ИБП используются два  принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный».

Выше описанный метод  называется «непосредственный», так  как напряжение обратной связи снимается  непосредственно с вторичного выпрямителя.

При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается  с дополнительной обмотки импульсного  трансформатора (рисунок 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Короткое замыкание 

КЗ в нагрузке ИБП. В  этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически  равно нулю. Соответственно схема  ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для  того, что бы поднять уровень этого  напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все  дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет  увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к  выходу из строя этого транзистора.

В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Сравнение ИБП и ТБП

 

Для сравнения вкратце  рассмотрим трансформаторный блок питания.

Трансформаторный  источник питания в общем случае состоит из понижающего трансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем для преобразования переменного напряжения в постоянное (пульсирующее однонаправленное) устанавливается выпрямитель. В большинстве случаев выпрямитель состоит четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий пульсации напряжения. Обычно это просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут  быть установлены фильтры высокочастотных  помех, всплесков, защиты от КЗ, стабилизаторы  напряжения и тока.

 

В сравнении с ТБП ИБП имеет  ряд преимуществ:

• Небольшие вес и габариты (частота импульсного преобразователя достаточно высока);
• высокий КПД (вплоть до 90-98%. Это обусловлено тем, что ИБП потребляет энергию электрической сети только во время открытого транзистора преобразователя, при его закрытии энергия в нагрузку отдается за счет разряда конденсатора фильтра вторичной цепи);
• меньшая стоимость (меньше расход металла на магнитопровод и меди на обмотки, даже не смотря на то, что количество деталей в ИБП увеличивается.);
• широкий диапазон питающего напряжения и частоты;
• наличие в большинстве современных блоках питания встроенных цепей защиты от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

 

 

 

В свою очередь существуют и недостатки:

• работа основной части схемы без гальванической развязки от сети;
• усложнение схемы;
• все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы (Транзистор преобразователя работает в ключевом режиме. В таком режиме транзистор является источником импульсных помех, возникающих в моменты переходных процессов транзистора.);
• в распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных трём.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Применение

Всё электрическое оборудование и приборы рассчитаны на работу в  сети, удовлетворяющей требованиям  определенного стандарта, вследствие чего любой производитель проектирует  оборудование, исходя из этих требований. Параметры электрической сети не являются стабильными по целому ряду объективных и субъективных причин, а иногда проблемы с электропитанием  возникают непосредственно на вашем  участке электросети. Искажения  по-разному влияют на работу электроприборов  и даже могут вывести оборудование из строя. Поскольку современное  электронное оборудование достаточно дорого (и наиболее подвержено губительному воздействию помех по входному напряжению), возникает необходимость защитить это оборудование от подобного рода воздействий.

Использование стабилизаторов напряжения или ИБП позволяет  повысить вероятность безотказной  работы и создает условия для  увеличения срока эксплуатации сложного и дорогостоящего оборудования.

При решении вопроса  об использовании, или не использовании  ИБП, необходимо учитывать, что нестабильное, завышенное или заниженное напряжение электросети и другие помехи, как правило, приводит к выходу из строя или ненормальной работе источника питания какого-либо устройства или прибора, что в свою очередь наносит максимальный ущерб устройству или аппарату в целом, где находится данный источник питания.

Необходимость использования  стабилизаторов напряжения или ИБП  также обусловлена некоторыми экономическими причинами:

• суммарные потери из-за утраты информации и понижения производительности в компьютерных системах банков, страховых компаниях, проектных и исследовательских фирмах из-за нестабильного электропитания могут многократно превышать стоимость используемого оборудования;
• к затратам на ремонт оборудования и аппаратуры добавляются иногда значительные финансовые потери вызванные простоем оборудования, невыполнением условий договоров и контрактов и т.п.;
• затраты на ремонт значительны для оборудования, аппаратуры и приборов, вышедших из строя по причине нестабильного напряжения в электросети;
• в ряде случаев потребитель несёт значительные финансовые затраты, так как оборудование и аппаратура не подлежит ремонту и соответственно дальнейшей эксплуатации;
• большую проблему может составить поиск соответствующего сервис центра для ремонта и настройки дорогостоящего оборудования и аппаратуры, а затраты на ремонт и настройку, как правило, значительны.