Меню

Импульсный блок питания повышенной мощности

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

  1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
  2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Структурная схема импульсного блока питания

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

  • Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
  • Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
  • На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
  • Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Пример миниатюрных импульсных БП

Пример миниатюрных импульсных БП

  • Далее вступает в работу выходной выпрямитель, поскольку он работает с высокочастотным напряжением, для процесса необходимы быстродействующие полупроводниковые элементы, поэтому для этой цели применяют диоды Шоттки.
  • На завершавшей фазе производится сглаживание на выгодном фильтре, после чего напряжение подается на нагрузку.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

  • частотно-импульсным;
  • фазо-импульсным;
  • широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется UП пилообразной формы, поступающее на вход компаратора КШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал UУС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности UП (опорное напряжение) и UРС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал UУС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (UOUT).

Читайте также:  Chevrolet impala 1967 мощность

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала UРС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.



Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

  • Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
  • Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
  • Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
  • Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
  • Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

  • различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БПЗарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитораИмпульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
  • Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
  • Транзистор VT1 – KT872A.
  • Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
  • Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
  • Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Источник



Увеличение мощности и функция Current Sharing в блоках питания MEAN WELL

В практике использования импульсных источников питания достаточно часто возникает необходимость увеличения мощности, отдаваемой в нагрузку, например, при изменении условий проекта или в случае наличия блоков питания только одного типа и, при этом не всегда есть возможность приобретения источника питания необходимой (большей) мощности. Решением может быть параллельное соединение импульсных источников питания, при котором происходит увеличение выходной мощности, а также такое подключение можно использовать в качестве системы резервирования питания.

Параллельное соединение импульсных блоков питания допускается при обеспечении соответствующих мер – на положительный вывод +V каждого блока питания ставится защитный диод в прямом включении (анодом к положительному выводу ИП). При этом номинальный ток диода должен быть больше максимального выходного тока блока питания и должен быть предусмотрен радиатор для рассеивания мощности (охлаждения) в случае необходимости – уточняется по характеристикам на диод. Схема подключения двух источников с защитными диодами представлена на рис.1.

Читайте также:  Формула расчета мощности электрокалорифера

Рис.1. Подключение двух импульсных блоков питания для питания мощной нагрузки или резервирования питания

Такой пример подключения уже рассматривался в нашем видео «Параллельное и последовательное включение блоков питания» на примере LRS-350-48. Но по рекомендации производителя такой способ подключения больше подходит для резервирования питания, и приемлем только для источников питания малой и средней мощности.

Поэтому для ряда серий мощных блоков питания компания MEAN WELL разработала функцию Current Sharing, которая позволяет питать мощную нагрузку путем соединения нескольких блоков питания одной серии и одного номинального напряжения в один источник. Особенностью такого подключения является то, что временные характеристики старта и выхода на режим разных блоков питания в параллельном соединении выравниваются, а также и присутствует защита от влияния блоков питания друг на друга в соединении. То есть ток такого объединенного источника уходит только в нагрузку, не оказывая подпитки выходных фильтров и системы управления силовыми ключами блоков питания в сборке, а также происходит выравнивание их потенциалов (выходного напряжения). В зависимости от моделей возможно объединение до 2, 4, и больше источников питания (рис.2).

Рис.2. Подключение 4-х блоков питания с функцией Current Sharing для питания мощной нагрузки

В качестве примера, для корпусных серий блоков питания функцией Current Sharing обладают блоки питания популярных серий RSP-1000, RSP-1500, позволяя получить четырехкратное увеличение мощности (до 4-х блоков питания в одной сборке). Для размещения на DIN рейку функцией Current Sharing оснащены, например, блоки питания серии SDR-960, позволяющие увеличить выходную мощность при параллельном соединении до 3840 Вт (подключение по схеме 3+1).

Параллельное подключение блоков питания с функцией Current Sharing имеет ряд условий, которые должны выполняться для надежной работы и предотвращения выхода из строя блоков питания, поэтому перед подключением необходимо изучить документацию (спецификацию) на используемый блок питания, и подключение производить по схеме из документации.

Для светодиодных серий блоков питания от компании MEAN WELL функция Current Sharing не предусмотрена, поэтому осуществлять параллельное соединение таких блоков питания не допускается. Для питания мощной нагрузки производитель рекомендует подбирать блоки питания подходящей мощности или делить светодиодную нагрузку на небольшие участки, которые могут быть запитаны каждый своим источником питания (рис.3).

Источник

2 Схемы

Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Проект этого очень мощного импульсного источника питания давно ждал своего времени и наконец был воплощен в железе, потому что потребовался регулируемый лабораторный ИП повышенной мощности. Схема на базе линейного регулятора при мощности более 2 кВт была бы невозможна в использовании. По этой причине была выбрана топология прямого преобразователя с двумя ключами, то есть полумостовая схема. Используются IGBT-транзисторы, а роль контроллера возложена на микросхему UC3845.

Схема принципиальная ИБП на 2 кВт

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Сетевое напряжение сначала проходит через фильтр помех, а затем выпрямляется и фильтруется с помощью конденсаторов C4. Для уменьшения пускового тока был последовательно подключен переключатель с Re1 и R2. Катушка реле и вентилятора (обычный, от блока питания компьютера) питаются от 12 В, получаемых путем понижения напряжения 17 В от вспомогательного источника. Резистор R1 должен быть выбран как так что напряжение на упомянутой катушке и вентиляторе составляет 12 В. Вспомогательный источник питания был построен на основе м/с TNY267. Резистор R27 реализует защиту от пониженного напряжения этого источника питания — он не запустится при напряжении ниже пика 220 В.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Контроллер UC3845 имеет сигнал 50 кГц на выходе и максимальную скважность 47%. Он питается от стабилитрона, который снижает напряжение питания на 5,6 В (с выходом 11,4 В), а также сдвигает пороги UVLO с 7,9 В (ниже) и 8,5 В (вверху) до соответственно 13,5 и 14,1 В. Следовательно, источник питания начнет работать при напряжении 14,1 В, и не будет ниже 13,5 В, благодаря чему защита IGBT была получена от работы без насыщения. Первоначально это было невозможно, потому что пороги UC3845 были слишком низкими.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Эта схема управляет MOSFET T2, который, в свою очередь, питает управляющий трансформатор Tr2. В результате были получены гальваническая развязка и плавающий контроль. Этот трансформатор, через системы формирования с T3 и T4, управляет IGBT T5 и T6 затворами. Эти транзисторы переключают выпрямленное сетевое напряжение (325 В), питая силовой трансформатор Tr1.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Напряжение от вторичной обмотки этого трансформатора затем выпрямляется с использованием выпрямителя, подключенного в транзитной системе, и сглаживается дросселем L1 и конденсаторами C17. Обратная связь по напряжению подается с выхода на вывод 2 UC3845. Напряжение можно выставить с помощью потенциометра P1. Гальваническая развязка обратной связи не требуется, поскольку контроллер был подключен к вторичной стороне напряжения и изолирован от сети. Обратная связь по току была реализована с использованием трансформатора тока Tr3 и выведена на выход 3 UC3845. Порог ограничения тока можно установить с помощью P2.

Читайте также:  Генератор 2110 повысить мощность

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Транзисторы T5, T6, диоды D5, D5′, D6, D6′, D7, D7′ и диодный мост обязательно должны быть размещены на радиаторе. Диоды D7, конденсаторы C15 и защитные цепи R22 + D8 + C14 должны быть как можно ближе к IGBT. Светодиод 1 указывает, что устройство включено, светодиод 2 — режим ограничения тока или ошибка. Он будет светиться, когда схема не находится в режиме стабилизации напряжения. В состоянии стабилизации на выходе 1 UC3845 составляет 2,5 В, в остальных случаях около 6 В. LED сигнализация может быть убрана.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Катушки импульсного БП

Выходной трансформатор Tr1 использован от старого источника питания. Коэффициент трансформации находится в диапазоне от 3:2 до 4:3, а его сердечник — ферритовый, без зазора. Если кто-то хочет сам его намотать, используйте сердечник, похожий на сварочный аппарат инвертора или около 6,4 см2 (допустимый диапазон 6-8 см2). Первичная обмотка должна состоять из 20 витков, намотанных 20 проводами диаметром 0,5 мм, а на вторичную обмотку — 14 витков 28 проводами одинакового диаметра. Медные полоски также могут быть использованы. К сожалению, использование одного толстого провода невозможно из-за скин-эффекта.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Управляющий трансформатор Tr2 имеет три обмотки по 16 витков. Они намотаны одновременно (в трех направлениях) тремя скрученными изолированными проводами. Сердечником является EI (может быть EE) без зазора, взятый из блока питания ATX. Этот сердечник имеет поперечное сечение центральной части примерно 80..120 мм2.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Трансформатор тока Tr3 состоит из 1 катушки и 68 витков на тороидальном сердечнике. Вообще размер и количество оборотов не являются критическими. Но для другого коэффициента значение R15 должно быть скорректировано.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Трансформатор вспомогательного источника питания Tr4 был намотан на ферритовый сердечник EE с зазором и диаметром поперечного сечения основы около 16-25 мм2. Он взят от вспомогательного трансформатора инвертора вышеупомянутого источника питания ATX. Направление включения обмоток всех трансформаторов (отмечены точками) должно быть правильным.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Индуктор извлеченный из микроволновой печи можно использовать в качестве дросселя сетевого фильтра. Выходной дроссель L1, как и трансформатор, также от готового ИБП. Он состоит из двух параллельных дросселей 54 мкГн на порошковых сердечниках, и результирующая индуктивность составляет 27 мкГн. Каждый дроссель намотан двумя проводами 1,7 мм.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

L1 находится на минусовой стороне, так что катоды диодов могут быть прикреплены к радиатору без изоляции. Максимальный ток источника питания составляет около 2500 Вт, а КПД при полной нагрузке превышает 90%.

Замена деталей ИБП

Здесь использовались транзисторы IGBT типа STGW30NC60W. Они могут быть заменены на IRG4PC40W, IRG4PC50W, IRG4PC50U, STGW30NC60WD или аналогичные с соответствующей мощностью и скоростью работы. Выходные диоды могут быть любого быстрого типа с достаточным рабочим током. Для верхних диодов (D5) средний ток не превышает 20 А, для нижних диодов (D6) — 40 А. Таким образом, верхние диоды могут быть выбраны на половину тока нижних. Верхними могут быть два HFA25PB60 / DSEI30-06A или один DSEI60-06A / STTH6010W / HFA50PA60C. Нижние — два DSEI60-06A / STTH6010W / HFA50PA60C или четыре HFA25PB60 / DSEI30-06A.

Диодный радиатор должен быть рассчитан на мощность рассеивания 60 Вт. Общая мощность тепловыделения на IGBT может достигать 50 Вт. Максимальные потери тепла в мостике составляют около 25 Вт.

Схема подачи электропитания напоминает ту, которая часто используется в сварочных аппаратах. Переключатель S1 обеспечивает аварийное отключение источника питания, поскольку не рекомендуется часто отключать источник питания с помощью переключателя питания (особенно при работе в качестве лабораторного).

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Резистивная искусственная нагрузка была применена для тестирования блока питания. Этот обогреватель 220 В 2000 Вт от котла был переделан на мощность 60 В 2000 Вт.

Регулируемый мощный импульсный БП на 60 В 40 А

Потребляемая мощность в выключенном состоянии составляет всего около 1 Вт. Выключатель S1 можно не ставить. Источник питания также может быть построен как источник постоянного напряжения. В этом случае было бы хорошо оптимизировать параметры трансформатора Tr1 для максимальной эффективности.

Внимание: конструкция подобного импульсного источника питания не предназначена для начинающих, поскольку большая часть его схемы подключена к сети 220 В. При небрежной конструкции на выходе может появиться сетевое напряжение! Также необходимо использовать подходящий шнур питания. Конденсаторы внутри устройства могут оставаться заряженными даже после выключения его от розетки!

Источник