1. Поява імпульсних джерел живлення
2. Переваги імпульсних блоків живлення
3. Пристрій імпульсних джерел живлення
4. Схемотехніка імпульсних блоків живлення
5. Buck топологія
6. Boost топологія
7. Polarity Inverter топологія

Імпульсний джерело живлення - електронна схема, де вхідна напруга випрямляється, фільтрується, нарізається пачками імпульсів високої частоти для передачі через малогабаритний трансформатор. Блок стає керованим, з гнучко підлаштовуємося параметрами. Зменшується маса найважчої частини джерела - трансформатора. В англомовній літературі такі прилади називаються Switching-Mode Power Supply (SMPS).

Прилад SMPS (імпульсний джерело живлення)

Поява імпульсних джерел живлення

Розміри трансформаторів хвилювали ще Теслу. Вчений повторюючи досвід за досвідом, встановив: високі частоти струму безпечні для людини, провокують великі втрати в сердечниках трансформаторів. Результатом суперечок стало прийняття частоти 60 Гц для будівництва Ніагарському ГЕС. Почали з Ніколи Тесла, тому що це перша людина, яка зрозуміла, що швидкі коливання механічним способом не отримаєш. Отже, доводиться використовувати коливальні контури. Так з'явився трансформатор Тесла (22 вересня 1896 року) неодноразово, за допомогою якого вчений задумав передавати на відстань повідомлення і енергію.

Суть винаходу описана в розділі про котушку Тесла , Наведемо короткі відомості. Трансформатор утворений двома частинами, включеними послідовно. Первинна обмотка першого підключалася до джерела змінної напруги порівняно низької частоти. Завдяки низькому коефіцієнту трансформації відбувався заряд конденсатора, підключеного до вторинної обмотки, до високого потенціалу. Напруга досягало порогу, пробивався розрядник, включений паралельно конденсатору. Починався коливальний процес розряду через первинну обмотку другого трансформатора в зовнішній ланцюг. Тесла отримував напруги радіодіапазону амплітудою мільйони вольт.

Перші крок у створенні імпульсних блоків живлення, де напруга порівняно низької частоти перетвориться в імпульси. Аналогічну конструкцію створив в 1910 році Чарльз Кеттерінг, обладнавши системи запалювання автомобілів. Імпульсні блоки живлення з'явилися в 60-і роки. Ідея мінімізації розмірів трансформаторів (після Ніколи Тесла) висунута компанією General Electric в 1959 році в особі Джозефа Мерфі і Френсіса Старчеца (US Patent 3,040,271). Ідея не відразу знайшла гарячий відгук (була відсутня відповідна елементна база), в 1970 році компанія Тектронікс випустила лінійку осцилографів з новим джерелом харчування.

осцилограф

Двома роками пізніше інвертори знаходять застосування в електроніці (Patent US3697854 A), головне - з'являються перші вітчизняні моделі! Патенти посилаються один на одного, неможливо зрозуміти, хто першим запропонував використовувати ідею в персональних комп'ютерах. В СРСР розробки почалися в 1970 році, пов'язано з появою у продажу високочастотного потужного германієвого транзистора 2Т809А. Як зазначається в літературі, першим в 1972 році добився успіху москвич, кандидат технічних наук Л. Н. Шаров. Пізніше з'явився імпульсний блок живлення 400 Вт авторством А. І. Гінзбурга, С. А. Ераносяна. Обчислювальні машини ЄС новинкою обладнані в 1976 році колективом під керівництвом Ж. А. Мкртчяна.

Перші імпульсні блоки живлення, відомі вітчизняному споживачеві по цифрових телевізорів і відеомагнітофонів, часто ламалися, сучасні вироби позбавлені недоліку - працюють безперервно роками. Момент початку 90-х років постачає наступними відомостями:

1. Питома потужність: 35 - 120 Вт на кубічний дециметр.
2. Робоча частота інвертора: 30 - 150 кГц.
3. ККД: 75 - 85%.
4. Час напрацювання на відмову: 50 - 200 тисяч годин (6250 робочих днів).

Переваги імпульсних блоків живлення

Лінійні джерела живлення громіздкі, ефективність кульгає. ККД рідко перевищує 30%. Для імпульсних блоків живлення середні цифри лежать в діапазоні 70 - 80%, існують вироби, сильно вибиваються з ряду. В кращу сторону, зрозуміло. Наводяться відомості: ККД імпульсного блоку живлення досягає 98%. Одночасно знижуються необхідні фільтрації ємності конденсаторів. Енергія, запасається за період, сильно падає з підвищенням частоти. Залежить прямо пропорційно від ємності конденсатора, квадратично від амплітуди напруги.

Підвищення до частоти 20 кГц (в порівнянні з 50/60) знижує лінійні розміри елементів в 4 рази. Квіточки в порівнянні з очікуваннями в радіодіапазоні. Пояснює причину оснащення приймачів конденсаторами малого розміру.

Пристрій імпульсних джерел живлення

Вхідна напруга випрямляється. Процес здійснює діодний міст, рідше одиночний діод. Потім напруга нарізається імпульсами, тут література бадьоро переходять до опису трансформатора. Читачів напевно мучить питання - як працює чопер (пристрій, що формує імпульси). На основі мікросхеми, що живиться безпосередньо мережевим напругою 230 вольт. Рідше спеціально ставиться стабілітрон (стабілізатор паралельного типу).

Мікросхема формує імпульси (20 - 200 кГц), порівняно малої амплітуди, керуючі тиристором або іншим напівпровідниковим силовим ключем. Тиристор нарізає висока напруга імпульсами, по гнучкій програмі, що формується мікросхемою генератора. Оскільки на вході діє високе напруження, потрібен захист. Генератор охороняється варистором, опір якого різко падає при перевищенні порога, замикаючи шкідливий стрибок на землю. З силового ключа пачки імпульсів надходять на малогабаритний високочастотний трансформатор. Лінійні розміри порівняно невисокі. Для комп'ютерного блоку живлення потужністю 500 Вт вміщується дитячої долонею.

Отримане напруги знову випрямляється. Використовуються діоди Шотткі, спасибі низькому падіння напруги переходу метал-напівпровідник. Випрямлення напруга фільтрується, подається споживачам. Завдяки наявності безлічі вторинних обмоток досить просто виходять номінали різної полярності і амплітуди. Розповідь неповним без згадки ланцюга зворотного зв'язку. Вихідні напруги порівнюються з еталоном (наприклад, стабілітрон), відбувається підстроювання режиму генератора імпульсів: від частоти, шпаруватості залежить передана потужність (амплітуда). Вироби вважаються порівняно невибагливими, можуть функціонувати в широкому діапазоні живлячої напруги.

Корпусних блок живлення

Технологія зветься инверторной, використовується зварниками, мікрохвильовими печами, індукційними варильні панелями, адаптерами стільникових телефонів, iPad. Комп'ютерний блок живлення працює подібним чином.

Схемотехніка імпульсних блоків живлення

Природою надано 14 базових топологій реалізації імпульсних блоків живлення. З притаманними достоїнствами, унікальними характеристиками. Деякі підходять створенню потужних блоків живлення (нижче 200 Вт), інші кращі якості проявляють при харчуванні мережевим напругою 230 вольт (50/60 Гц). І щоб вибрати потрібну топологію, зумійте уявити властивості кожної. Історично першими називають три:

• Buck - бак, олень, долар.
• Boost - прискорення.
• Polarity inverter - інвертор полярності.

Три топології відносяться до лінійних регуляторів. Тип приладів вважається попередником імпульсних блоків живлення, не включаючи достоїнств. Напруга подається через трансформатор, випрямляється, нарізається на силовому ключі. Роботою регулятора завідує зворотний зв'язок, в завдання якої входить формування сигналу помилки. Тип приладів становив багатомільярдний оборот в 60-і роки, міг лише знижувати напругу, а загальний провід споживача замикався з мережею живлення.

Схема Buck топології

Buck топологія

Так з'явилися «олені». Спочатку призначені для постійної напруги нарізали вхідний сигнал імпульсами, потім пачки спрямляются, фільтрувалися з отриманням середньої потужності. Зворотній зв'язок контролювала шпаруватість, частоту (широтно-імпульсна модуляція). Аналогічне робиться сьогодні комп'ютерними блоками живлення. Практично відразу були досягнуті значення щільності потужності 1 - 4 Вт на кубічний дюйм (згодом до 50 Вт на кубічний дюйм). Чудово, що стало можна отримувати безліч вихідних напруг, розв'язаних зі входом.

Недоліком вважатимемо втрати в момент перемикання транзистора, напруга змінює полярність, залишається нижче нуля до наступного імпульсу. Зазначена частина сигналу, минаючи діод, замикається на землю, не доходячи фільтра. Виявлено існування оптимальних частот перемикання, при яких витрати мінімізуються. Діапазон 25 - 50 кГц.

Схема Boost топології

Boost топологія

Топологія називається кільцевим дроселем, ставиться вперед ключа. Вдається підвищити вхідна напруга до потрібного номіналу. Схема працює в такий спосіб:

1. У початковий момент часу транзистор відкритий, дросель запасається енергією джерела напруги через колекторний, емітерний pn-переходи, землю.
2. Потім ключ замикається, стартує процес зарядки конденсатора. Дросель віддає енергію.
3. В деякий момент відпрацьовує підсилювач зворотного зв'язку, починається живлення навантаження. Конденсатор не здатен віддати енергію в бік силового ключа, заважає діод. Заряд забирає корисне навантаження.
4. Падіння напруги викличе повторне спрацьовування ланцюга зворотного зв'язку, почнеться накопичення енергії дроселем.

Polarity Inverter топологія

Топологія полярного інвертора схожа на попередню схему, дросель розташований за ключем. Працює наступним чином:

1. У початковий момент часу ключ відкритий, позитивної напівхвиль напруги наповнює дросель енергією. Далі енергія пройти безсила - заважає діод.
2. Транзистор закривається, в дроселі виникає ЕРС, звана паразитного. Напрямлена протилежно початковій, вільно проходить діод, заряджаючи конденсатор.
3. Спрацьовує схема зворотного зв'язку, широтно-імпульсний модулятор знову відкриває транзистор. Починається процес розрядки конденсатора в навантаження, дросель знову заповнюється енергією.

Схема Polarity Inverter топології

В цьому випадку спостерігаємо паралельність процесів запасання / витрачання енергії. Всі три розглянуті схеми демонструють такі недоліки:

1. Є зв'язок по постійному струму між входом і виходом. Іншими словами, відсутня гальванічна розв'язка.
2. Неможливо отримати кілька номіналів напруг з однієї схеми.

Мінуси усуваються двотактної тягни-штовхай (push-pull), запізнілої (latter) топологиями. Обидві використовують чопер з технологією випередження (forward). У першому випадку використовується диференціальна пара транзисторів. Стає можливим використовувати один ключ на половину періоду. Для управління потрібна спеціальна формує схема, поперемінно розгойдувати ці гойдалки, поліпшуються умови відводу тепла. Нарізане напруга двухполярной, живить первинну обмотку трансформатора, вторинних багато - згідно вимогам споживачів.

У запізнілої топології один транзистор замінений діодом. Схема часто експлуатується малопотужними блоками живлення (до 200 Вт) з постійною напругою на виході 60 - 200 В.