Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрические приборы и устройства » Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового
Количество просмотров: 314829
Комментарии к статье: 14


Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового


Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

  • встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

  • или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

Схема трансформаторного блока питания

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

  • доступностью комплектования распространенной элементной базой;

  • надежностью в исполнении;

  • возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

Схема импульсного блока питания

В состав основных деталей источников питания входят:

  • сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

  • накопительная фильтрующая емкость;

  • ключевой силовой транзистор;

  • задающий генератор;

  • схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

  • оптопара;

  • импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

  • выпрямительные диоды выходной схемы;

  • цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

  • фильтрующие конденсаторы;

  • силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

  • выходные разъемы.

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Плата импульсного блока питания

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

Схема импульсного блока питания

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

1. ШИМ-контроллер;

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Принципы создания ШИМ-импульсов

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

ШИМ-контроллер

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

  • мостовой;

  • полумостовой;

  • со средней точкой.

Импульсный трансформатор 

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Схема блока питания без трансформаторной развязки

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

  • маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

  • слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон. 

А в этой статье читайте про ремонт импульсных блоков питания.

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрические приборы и устройства

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 

О сайте Электрик Инфо и авторах статей



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Применение трансформаторов в источниках электропитания
  • Блоки питания электронных устройств - устройство и принцип работы основных ...
  • Схемотехника блоков питания для светодиодных лент и не только
  • Чем отличается блок питания для светодиодных ламп и электронный трансформат ...
  • Дроссель для защиты от синфазных помех, генерируемых импульсным источником ...
  • Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы
  • Электрическая схема блока питания для гаража
  • Советы по ремонту импульсных блоков питания
  • Простейшие бестрансформаторные импульсные преобразователи напряжения
  • Как устроен компьютерный блок питания и как его запустить без компьютера
  • Категория: Электрические приборы и устройства

    Широтно-импульсная модуляция, Блоки питания, Источники питания

      Комментарии:

    #1 написал: Вика |

    Отличная статья. Все очень информативно и полезно, узнала нового нового. Все по теме.

      Комментарии:

    #2 написал: Абеке |

    C первых строк cтатьи,  почувствовал себя очень тупым, ибо все разъяснение, проводится на специальном лексиконе радиоспециалиста " за счет использования,  принципов взаимодействия элементов инверторной схемы"... Знающие радиолюбители, читать ее не будут, они сами все знают, а вот тем кто в первые,  начал познавать это, надо простыми словами объяснять...

      Комментарии:

    #3 написал: валера |

    Спасибо за рассылки и ждём новых рассылок!

      Комментарии:

    #4 написал: Ден |

    Абеке,
    Поддерживаю... точно сказано.

      Комментарии:

    #5 написал: Евгений |

    Искал визде ну не где не сказано на какой частоте работают импульсники и экономки только про сварочные инвертеры сказано частота около 60кГц

      Комментарии:

    #6 написал: Павел |

    Все современные электронные устройства, подключенные к электросети больше не потребляют электричество непрерывно, а только импульсами. Все преобразователи напряжения - и импульсный источник питания - преобразователь напряжения - для высокой эффективности они работают с прямоугольными формами волны с высокой крутизной, которая генерирует многочисленные гармоники. Вспомните, какое оборудование было у было у ваших родителей, бабушек и дедушек. Несколько лампочек на 60 Вт, стиральная машина, телевизор, радио, фен, пылесос. Может быть,  соковыжималка. Сейчас в домах у нас есть несколько телевизоров с импульсными источниками питания, компьютеры, ноутбуки, маршрутизаторы, телефоны с питанием от источников питания, часы, радиоприемники, электрические кухни, микроволновые печи, холодильники и т.д. Все это влияет на качество электроэнергии. Искажения сетевого напряжения возрастают, а возникающие гармоники вызывают сбои в работе устройств. В одной моей знакомой семье недавно произошел взрыв конденсатора в осветительной арматуре - может ли это быть из-за явления резонанса или перенапряжения?

      Комментарии:

    #7 написал: Игорь |

    Любая бытовая техника с импульсными блоками питания должна быть заземлена, во избежании поражения электрическим током, хотя эти токи не смертельны для человека, поскольку очень малы.

      Комментарии:

    #8 написал: Влад |

    220 вольт остались еще где-то в Африке. По госту в России и других постсовках 230 вольт. По факту от 230 до 240.

      Комментарии:

    #9 написал: Макар |

    При конструировании блоков питания можно сделать выбор среди следующих выпрямителей: диодные выпрямители, тиристорные выпрямители для двунаправленного переноса энергии и импульсные выпрямители с двунаправленным переносом энергии и значительно лучшими свойствами по сравнению с тиристорным выпрямителем. Импульсный выпрямитель фактически является инвертором напряжения, его переменное состояние «фазировано» к сети и подключено стороной постоянного тока к конденсатору фильтра и нагрузке. Принцип функции импульсного выпрямителя приводит к существенно отличающимся свойствам этого выпрямителя по сравнению с тиристорным выпрямителем: импульсный выпрямитель «не может» контролировать напряжение ниже определенного предела. Для создания постоянного напряжения в промежуточной цепи постоянного тока для ШИМ-инверторов не имеет значения, другое конечно же применение для двигателей постоянного тока или других нагрузок с регулированием выходного напряжения от нуля. У импульсного выпрямителя (повышающего преобразователя) нет проблем со стабилизацией выходного напряжения даже при недопустимых значениях напряжения питания, кратковременных падениях и т.д. Можно сказать, что импульсный выпрямитель является в то же время отличным стабилизатором. Импульсный выпрямитель в принципе является энергетическим двухходовым, и выпрямитель работает с той же мощностью, что и инвертор (что является его наиболее распространенным применением: инвертор для регулирования частоты двигателей переменного тока). В инверторном режиме импульсного выпрямителя в принципе не известно отрицательного явления в работе инвертора тиристорных выпрямителей с коммутацией сети – а именно так называемого инверторного выгорания. Вкратце можно сказать, что давно известные, глубоко укоренившиеся и на практике с огромными проблемами управляемые (компенсаторы, схемы компенсации фильтров и т.д.) обратные эффекты фазовых тиристорных выпрямителей принципиально снижены и импульсный выпрямитель может даже (например, при подходящем резерве в установленной мощности) компенсировать индуктивную реактивную мощность других приборов (двигателей, трансформаторов).

      Комментарии:

    #10 написал: Сергей Сергеевич |

    В импульсных источниках питания используется коммутирующий элемент (транзистор), который периодически переключает входное напряжение на цепь, состоящую из комбинации катушки, конденсатора и диода, на относительно высокой частоте (десятки кГц и более). При подходящей комбинации этих элементов можно добиться снижения напряжения и увеличения напряжения. Другой тип импульсного блока питания — блок питания с трансформатором и последующим диодным выпрямителем, где используются выгодные свойства (меньшие габариты трансформатора при больших токах, меньшие магнитные потери) современных магнитных материалов (ферритов) на высоких частотах. Изменяя частоту и чередование коммутации, можно добиться изменения выходного напряжения в этих соединениях. Таким образом, источник питания включает в себя схему (обычно в виде интегральной схемы), которая обеспечивает изменение частоты или чередование (или и то, и другое) на основе обратной связи от выходного напряжения, чтобы обеспечить стабильное выходное напряжение при различных нагрузках. Поскольку импульсные источники питания работают с прямоугольными напряжениями и токами, они имеют тенденцию излучать электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Поэтому при их изготовлении и использовании необходимо соблюдать принципы электромагнитной совместимости (ЭМС).

      Комментарии:

    #11 написал: Роберт |

    Импульсные блоки питания намного легче чем обычные трансформаторные, так как они подвергают напряжение двум процессам выпрямления (один на входе, не понижая его, а другой на выходе), но между ними все же осуществляют так называемое кодирование, что для простоты означает преобразование сигнала в форму импульса с частотой 60 кГц и подача его на очень маленький трансформатор. 

      Комментарии:

    #12 написал: Мимопроходил |

    Я столкнулся с одним огромным недостатком повсеместного использования импульсных блоков питания: на такой питальник нельзя дать нагрузку, которая изначально питается от аккумулятора. То есть вот обычный аккумуляторный шуруповёрт, нельзя просто взять и сделать сетевым. Потому что везде продаются импульсные питальники, а нужен обычный аналоговый.

      Комментарии:

    #13 написал: Михаил |

    Импульсный блок питания (switched-mode power supply, SMPS) - это электронный блок питания, который использует высокочастотный электронный переключатель (обычно транзистор) для преобразования переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Он отличается от обычного аналогового блока питания (линейного источника питания), который использует трансформатор для преобразования напряжения переменного тока.

    Основное преимущество импульсных блоков питания - это высокий КПД (коэффициент полезного действия), который может достигать до 90%, в то время как у аналоговых блоков питания КПД обычно не превышает 50-60%. Это позволяет сократить потребление электроэнергии и уменьшить тепловыделение.

    Также импульсный блок питания более компактный и легкий, что делает его удобным для использования в мобильных устройствах и других компактных приложениях. Но при этом, он может создавать более высокий уровень электромагнитных помех, чем аналоговый блок питания.

    Выбор между импульсным и аналоговым блоком питания зависит от конкретных требований приложения, его мощности, габаритов и стоимости.

      Комментарии:

    #14 написал: Гость |

    Импульсные блоки питания обычно имеют более высокую эффективность по сравнению с аналоговыми блоками питания, так как в них используются полупроводниковые ключи для преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные блоки также меньше по размеру и легче, так как не требуют большого количества трансформаторов и дросселей. Однако импульсные блоки могут создавать электромагнитные помехи и требуют более сложной схемы управления для обеспечения стабильности выходного напряжения. Аналоговые блоки питания, с другой стороны, обычно имеют более низкую стоимость и проще в изготовлении, так как используют только пассивные компоненты для регулирования выходного напряжения. Однако они имеют меньшую эффективность и большие размеры по сравнению с импульсными блоками питания.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.