Імпульсні джерела живлення

Міністерство освіти і науки України

Краснодонський промислово економічний коледж

Реферат з предмету: «Схемотехніка»

• На тему:
• «Імпульсні джерела живлення»

Студента групи 1ОКІСМ-06

Петренко Михайла

Перевірила: Дрокіна Т.М.

Краснодон 2009

На відміну від традиційних лінійних ІП, що передбачають гасіння зайвої нестабілізованої напруги на прохідному лінійному елементі, імпульсні ІП використовують інші методи і фізичні явища для створення стабілізованої напруги, а саме: ефект накопичення енергії в котушках індуктивності, а також можливість високочастотного трансформації та перетворення накопиченої енергії в постійна напруга. Існує три типові схеми побудови імпульсних ІП (див. рис. 3.4-1): що підвищує (вихідна напруга вище вхідного), що знижує (вихідна напруга нижче вхідного) і інвертується (вихідна напруга має протилежну по відношенню до вхідного полярність). Як видно з малюнка, відрізняються вони лише способом підключення індуктивності, в іншому, принцип роботи залишається незмінним, а саме.

Ключовий елемент (звичайно застосовують біполярні або МДП транзистори), що працює з частотою порядку 20-100 кГц, періодично на короткий час (не більше 50% часу) прикладає до котушки індуктивності повне вхідна нестабілізована напруга. Імпульсний струм. протікає при цьому через котушку, забезпечує накопичення запасу енергії в її магнітному полі 1/2LI ^ 2 на кожному імпульсі. Запасені таким чином енергія з котушки передасться в навантаження (або безпосередньо, з використанням випрямляючих діода, або через вторинну обмотку з наступним випрямлення), конденсатор вихідного згладжує фільтра забезпечує постійність вихідної напруги та струму. Стабілізація вихідної напруги забезпечується автоматичним регулюванням ширини або частоти проходження імпульсів на ключовому елементі (для стеження за вихідним напругою призначена ланцюг зворотного зв'язку).

Така, хоча і досить складна, схема дозволяє суттєво підвищити ККД всього пристрою. Справа в тому, що, в даному випадку, окрім самої навантаження в схемі відсутні силові елементи, що розсіюють значну потужність. Ключові транзистори працюють в режимі насиченого ключа (тобто падіння напруги на них мало) і розсіюють потужність тільки в досить короткі часові інтервали (час подачі імпульсу). Крім цього, за рахунок підвищення частоти перетворення можна істотно збільшити потужність і поліпшити масогабаритні характеристики.

Важливим технологічним перевагою імпульсних ІП є можливість побудови на їх основі малогабаритних мережевих ІП з гальванічною розв'язкою від мережі для живлення найрізноманітнішої апаратури. Такі ІП будуються без застосування громіздкого низькочастотного силового трансформатора за схемою високочастотного перетворювача. Це, власне, типова схема імпульсного ІП з пониженням напруги, де в якості вхідної напруги використовується випрямлена мережеве напруга, а в якості накопичувального елементу - високочастотний трансформатор (малогабаритний і з високим ККД), з вторинної обмотки якого і знімається вихідна стабілізоване напруга (цей трансформатор забезпечує також гальванічну розв'язку з мережею).

До недоліків імпульсних ІП можна віднести: наявність високого рівня імпульсних шумів на виході, високу, складність і низьку надійність (особливо при кустарному виготовленні), необхідність застосування дорогих високовольтних високочастотних компонентів, які в разі найменшої несправності легко виходять з ладу "усім скопом" (при це нам. як правило, можна спостерігати вражаючі піротехнічні ефекти). Любителям покопатися в нутрощах пристроїв з викруткою і паяльником при конструюванні мережевих імпульсних ІП доведеться бути вкрай обережними, тому що багато елементів таких схем перебувають під високою напругою.

Ефективний імпульсний стабілізатор низького рівня складності

На елементної бази, аналогічної застосовувалася в описаному вище (рис. 3.3-3) лінійному стабілізаторі, можна побудувати імпульсний стабілізатор напруги. За таких же характеристиках він буде мати значно меншими габаритами і найкращим тепловим режимом. Принципова схема такого стабілізатора приведена на рис. 3.4-2. Стабілізатор зібраний за типовою схемою з пониженням напруги (рис. 3.4-1а).

При першому включенні, коли конденсатор С4 розряджено і до виходу підключена досить потужна навантаження, струм протікає через ІС лінійного стабілізатора DA1. Викликана цим струмом падіння напруги на R1 відмикає ключовий транзистор VT1, який тут-ж входить в режим насичення, так як індуктивний опір L1 велике і через транзистор протікає досить великий струм. Падіння напруги на R5 відкриває основний ключовий елемент - транзистор VT2. Струм. наростаючий в L1, заряджає С4, при цьому через зворотний зв'язок на R8 відбувається запирання стабілізатора і ключового транзистора. Енергія, запасені в котушці, живить навантаження. Коли напруга на С4 падає нижче напруги стабілізації, відкривається DA1 і ключовий транзистор. Цикл повторюється з частотою 20-30 кГц.

Ланцюг R3. R4, С2 задасть рівень вихідної напруги. Його можна плавно регулювати в невеликих межах, від Ucт DA1 до Uвх. Однак якщо Uх підняти близько до Uвх, з'являється нестабільність при максимальному навантаженні і підвищений рівень пульсації. Для придушення високочастотних пульсації на виході стабілізатора включений фільтр L2, С5.

Схема досить проста і максимально ефективна для даного рівня складності. Всі силові елементи VT1, VT2, VD1, DA1 забезпечуються невеликими радіаторами. Вхідна напруга нс повинна перевищувати 30 В. що є максимальним для стабілізаторів КР142ЕН8. Випрямні діоди застосовувати на струм не менше 3 А.

Пристрій безперебійного живлення на основі імпульсного стабілізатора

На рис. 3.4-3 пропонується до розгляду пристрій для безперебійного живлення систем охорони та відеоспостереження на основі імпульсного стабілізатора, поєднаного з зарядним пристроєм. У стабілізатор впроваджено системи захисту від перевантаження, перегріву, кидків напруги на виході, короткого замикання.

Стабілізатор має наступні параметри:

· Вхідна напруга, Uвx - 20-30 В:

• Вихідна стабілізоване напруга, Uвиx-12B:

• Номінальний струм навантаження, Iнагр ном-5А;

• Струм спрацьовування системи захисту від перевантаження, Iзах - 7А;.

• Напруга спрацювання системи захисту від перенапруги, Uх зах - 13 В;

• Максимальний струм зарядки АКБ, Iзар акб макс - 0,7 А;

• Рівень пульсації. Uпульс - 100 мВ,

• Температура спрацювання системи захисту від перегріву, Тзах - 120 С;

• Швидкість перемикання на живлення від АКБ, tперекл - 10мс (реле РЕЗ-б РФО.452.112).

Принцип роботи імпульсного стабілізатора в описуваному пристрої такий же, як і у стабілізатора, представленого вище.

Пристрій доповнено зарядним пристроєм, виконаним на елементах DA2, R7, R8, R9, R10, VD2, С7. ІС стабілізатора напруги DA2 з дільником струму на R7. R8 обмежує максимальний початковий струм заряду, дільник R9, R10 задає вихідна напруга заряду, діод VD2 захищає АКБ від саморозряду за відсутності напруги живлення.

Захист від перегріву використовує як датчика температури терморезистор R16. При спрацьовування захисту включається звуковий сигналізатор, зібраний на ИС DD 1 і, одночасно, навантаження відключається від стабілізатора, переходячи на харчування від АКБ. Терморезистор монтують на радіаторі транзистора VT1. Точне підстроювання рівня спрацьовування температурного захисту здійснюється опором R18.

Датчик напруги зібраний на дільнику R13, R15. опором R15 встановлюють точний рівень спрацьовування захисту від перенапруги (13 В). При перевищенні напруги на виході стабілізатора (у випадку виходу останнього з ладу) реле S1 відключає навантаження від стабілізатора і підключає її до АКБ. У випадку відключення напруги живлення, реле S1 переходить в стан "за замовчуванням" - тобто підключає навантаження на АКБ.

Наведена тут схема не має електронного захисту від короткого замикання для АКБ. цю роль виконує плавкий запобіжник в ланцюзі живлення навантаження, розрахований на максимальний струм споживання.

Джерела живлення на основі високочастотного імпульсного перетворювача

Досить часто при конструюванні пристроїв виникають жорсткі вимоги до розмірів джерела живлення. У цьому випадку єдиним виходом є застосування ІП на основі високовольтних високочастотних імпульсних перетворювачів. які підключаються до мережі ~ 220 В без застосування габаритного низькочастотного понижуючого трансформатора і можуть забезпечити більшу потужність при малих розмірах і тепловіддачі.

Структурна схема типового імпульсного перетворювача з живленням від промислової мережі представлено на рис 34-4.

Вхідний фільтр призначений для запобігання проникнення імпульсних перешкод в мережу. Силові ключі забезпечують подачу імпульсів високої напруги на первинну обмотку високочастотного трансформатора (можуть застосовуватися одно-та застосовується управління шириною імпульсів, рідше - частотою). На відміну від трансформаторів синусоїдальної сигналу низької частоти, в імпульсних ІП застосовуються широкополосні пристрої, що забезпечують ефективну передачу потужності на сигнали зі швидкими фронтами. Це накладає суттєві вимоги на тип застосовуваного магнітопроводу і конструкцію трансформатора. З іншого боку, зі збільшенням частоти необхідні розміри трансформатора (зі збереженням переданої потужності) зменшуються (сучасні матеріали дозволяють будувати потужні трансформатори з прийнятним ККД на частоти до 100-400 кГц). Особливістю вихідного випрямляча є застосування в ньому не звичайних силових діодів, а швидкодіючих діодів Шотткі, що зумовлено високою частотою випрямляється напруги. Вихідний фільтр згладжує пульсації вихідної напруги. Напруга зворотного зв'язку порівнюється з опорною напругою і потім управляє генератором. Зверніть увагу на наявність гальванічної розв'язки в колі зворотного зв'язку, що необхідно, якщо ми хочемо забезпечити розв'язку вихідної напруги з мережею.

При виготовленні таких ІП виникають серйозні вимоги до застосовуваних компонентів (що підвищує їхню вартість у порівнянні з традиційними). По-перше, це стосується робочої напруги діодів випрямляча, конденсаторів фільтра і ключових транзисторів, який не повинен бути менше 350 В, щоб уникнути пробоїв. По-друге, повинні застосовуватися високочастотні ключові транзистори (робоча частота 20-100 кГц) та спеціальні керамічні конденсатори (звичайні оксидні електроліти на високих частотах будуть перегріватися зважаючи на їх високу індуктивності. І. по-третє, частота насичення високочастотного трансформатора, що визначається типом застосовуваного магнітопроводу (як правило, використовуються тороїдальні осердя) повинна бути значно вище робочої частоти перетворювача.

На рис. 3.4-5 приведена принципова схема класичного ІП на основі високочастотного перетворювача. Фільтр, що складається з ємностей С1, С2, СЗ та дроселі L1, L2, служить для захисту мережі живлення від високочастотних перешкод з боку перетворювача. Генератор побудований за схемою автоколивальних і суміщений з ключовим каскадом. Ключові транзистори VT1 і VT2 працюють в протифазі, відкриваючи й закриваючи по черзі. Запуск генератора і надійну роботу забезпечує транзистор VT3, що працює в режимі лавинного пробою. При наростанні напруги на С6 через R3 транзистор відкривається і конденсатор розряджається на базу VT2, запускаючи роботу генератора. Напруга зворотного зв'язку знімається з додатковою (III) обмотки силового трансформатора Tpl.

Транзистори VT1. VT2 встановлюють на пластинчасті радіатори не менше 100 см 2. Діоди VD2-VD5 з бар'єром Шотткі ставляться на невеликий радіатор 5 см 2. Дані дроселів і трансформаторів: L1-1. L2 намотують на кільцях з фериту 2000НМ К12х8х3 в два дроти проводом ПЕЛШО 0,25: 20 витків. ТР1 - на двох кільцях, складених разом, ферит 2000НН КЗ 1х18.5х7;

Обмотка 1 - 82 витка проводом ПЕВ-2 0,5: обмотка II - 25 +25 витків проводом ПЕВ-2 1,0: обмотка III - 2 витка проводом ПЕВ-2 0.3. ТР2 намотують на кільці з фериту 2000НН К10х6х5. всі обмотки виконані проводом ПЕВ-2 0.3: обмотка 1 - 10 витків:

· обмотки II і III - по 6 витків, обидві обмотки (II і III) намотані так, що займають на кільці по 50% площі не торкаючись і не перекриваючи один одного, обмотка I намотана рівномірно по всьому кільцю і ізольована шаром Лакотканини. Котушки фільтра випрямляча L3, L4 намотують на ферит 2000НМ До 12х8х3 проводом ПЕВ-2 1,0, кількість витків - 30. В якості ключових транзисторів VT1, VT2 можуть застосовуватися КТ809А. КТ812, КТ841.

· Номінали елементів і намотувальні дані трансформаторів наведені для вихідної напруги 35 В. У випадку, коли потрібні інші робочі значення параметрів, слід відповідним чином змінити кількість витків в обмотці 2 Тр1.

Описана схема має суттєві недоліки, обумовлені прагненням гранично зменшити кількість застосовуваних компонентів Це й низький "рівень стабілізації вихідної напруги, і нестабільна ненадійна робота, і низький вихідний струм. Проте вона цілком придатна для харчування найпростіших конструкцій різної потужності (при застосуванні відповідних компонентів), таких як: калькулятори, освітлювальні прилади і т.п.

Ще одна схема ІП на основі високочастотного імпульсного перетворювача наведена на рис. 3.4-6. Основною відмінністю цієї схеми від стандартної структури, представленої на рис. 3 .4-4 є відсутність ланцюга зворотного зв'язку. У зв'язку з цим, стабільність напруги на вихідних обмотках ВЧ трансформатора ТР2 досить низька і потрібне застосування вторинних стабілізаторів (у схемі використовуються універсальні інтегральні стабілізатори на ІС серії КР142).