Обобщенная структурная схема импульсного источника электропитания.

Импульсные или ключевые источники вторичного электропитания (ИВЭП) в настоящее время получили распространение не меньшее, чем линейные стабилизаторы напряжения. Их основными достоинствами являются: высокий коэффициент полезного действия, малые габариты и масса, высокая удельная мощность.

Все перечисленные свойства эти источники питания получили благодаря применению ключевого режима при работе силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка транзистора большую часть времени находится в области насыщения или области отсечки, а зону активного (линейного) режима проходит с высокой скоростью за очень малое время переключения. При этом в области насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю, а в режиме отсечки в транзисторе отсутствует ток, благодаря чему потери в транзисторе оказываются достаточно малыми. Все это приводит к тому, что средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейном регуляторе. Малые потери в силовых ключах приводят к уменьшению или полному исключению охлаждающих радиаторов.

Улучшение массогабаритных характеристик источника питания обусловлено прежде всего тем, что из схемы источника питания исключается силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор или дроссель, габариты и масса которых намного меньше низкочастотного силового трансформатора.

К недостаткам импульсных источников питания обычно относят: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличенные пульсации выходного напряжения, большое время выхода на рабочий режим.

Обобщенная структурная схема импульсного источника питания состоит из четырех основных блоков (рис.3):

· Сетевого выпрямителя с емкостным фильтром;

· Высокочастотного инвертора выпрямленного напряжения сети;

· Устройства управления высокочастотным инвертором (обычно это специализированная микросхема управления);

· Выходного высокочастотного выпрямителя с емкостным фильтром.

Высокочастотный инвертор и устройство управления совместно образуют импульсный преобразователь, который может быть индуктивным или емкостным. Наибольшее распространение в импульсных ИВЭП получили индуктивные импульсные преобразователи, которые можно разделить на дроссельные (или автотрансформаторные) и трансформаторные.

Рассмотрим работу импульсного ИВЭП, пользуясь обобщенной структурной схемой.

Гармоническое напряжение сети (50 или 60 Гц) выпрямляется сетевым выпрямителем и заряжает конденсатор фильтра, имеющий достаточно большую емкость. Большая емкость фильтра сетевого выпрямителя обеспечивает низкие пульсации выпрямленного напряжения и увеличивает время удержания выходного напряжения (до приблизительно 300…500 мс). При напряжении питания 220 В напряжение на емкости составляет примерно 300 В.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема импульсного источника питания.

Рис. 4. Микросхема управления 1114ЕУ4 (TL494) для двухтактных преобразователей (а) и временные диаграммы ее работы (б).

Это напряжение поступает на вход импульсного преобразователя, который преобразует его в высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Частота импульсного напряжения обычно лежит в пределах от 20 до 200 кГц. С увеличением частоты преобразования увеличивается удельная мощность, но одновременно растут потери в элементах преобразователя, что приводит к снижению КПД.

С выхода преобразователя напряжение поступает на высокочастотный выпрямитель с емкостным фильтром. При высокой частоте преобразования к элементам выпрямителя и фильтра предъявляются очень жесткие требования: время восстановления обратного сопротивления выпрямительных диодов должно лежать в пределах от 10 до 100 нс, а емкости фильтра не должны иметь индуктивности.

В большинстве случаев высокочастотный инвертор работает на фиксированной частоте, а регулирование выходного напряжения обеспечивается с помощью широтно-импульсной модуляции управляющих сигналов. Широтно-импульсное регулирование выполняется при помощи схемы управления, на вход которой подается выходное напряжение. Для обеспечения гальванического разделения выхода от силовой сети в трансформаторных схемах инверторов обычно используются различные типы устройств гальванической развязки: оптроны, трансформаторы, изолирующие усилители и др. Формы управляющих сигналов при широтно-импульсной модуляции приведены ниже.

Рис. 5. Форма импульсов при широтно-импульсной модуляции (а) и способ их получения (б).

Глубина широтно-импульсной модуляции характеризуется коэффициентом заполнения γ =t_и/T, где t_и длительность импульса управления, а T=f ^-1 – период повторения. Если длительность импульса составляет половину периода, то U_ПТ. =0,5, т.е. 50%. При увеличении длительности импульса коэффициент заполнения растет до 100%. В общем случае коэффициент заполнения 0≤ γ ≤ 100%.

Способ получения широтно-модулированных импульсов показан на рис.4,5, б.

В обобщенной структурной схеме, приведенной на первом рис., вначале формируется сигнал ошибки U_ОШ (рассогласования).

Для этого на вход схемы управления подается выходное напряжение U_ВЫХ., которое сравнивается в усилителе сигнала ошибки (УСО) с опорным напряжением U_ОП. , создаваемым специальным источником опорного напряжения ИОН).

В схеме широтно-импульсного модулятора (ШИМ) сигнал ошибки U_ОШ. сравнивается с линейно растущим напряжением пилообразной формы U_ПТ.. Если за исходное состояние ШИМ принять, что U_{ОШ. =} U_{ПТ. .}/2, где U_ПТ. – максимальное значение пилообразного напряжения, то получим, что в исходном состоянии коэффициент заполнения γ₀ =50%.

При увеличении выходного напряжения U_ВЫХ > U_{ВЫХ. НОМ}. Сигнал ошибки также увеличивается (U_ОШ. > U_{ПТ. .}/2), а длительность импульса управления уменьшается, как показано на рис., 4,5,б.

При уменьшении выходного напряжения U_ВЫХ < U_{ВЫХ. НОМ}. Сигнал ошибки уменьшается U_ОШ. < U_{ПТ. .}/2, а длительность импульса увеличивается.

Изменение длительности импульса t_И приводит к изменению времени включенного состояния силового транзисторного ключа и, следовательно, к пропорциональному изменению выходного напряжения. Таким образом, в регулируемом ШИМ – инверторе обеспечивается стабилизация выходного напряжения.

В зависимости от вида преобразователя все микросхемы управления можно разделить на три группы:

· микросхемы управления импульсными стабилизаторами,

· микросхемы управления однотактными преобразователями,

· микросхемы управления двухтактными преобразователями.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: