Импульсные преобразователи напряжения – памятка радиогубителю

Преобразователи напряжения импульсные

Для преобразования электроэнергии, а точнее сказать, напряжения, можно использовать различные устройства, такие как трансформаторы, генераторы, зарядные устройства. Все они являются преобразователями электрической энергии.

Так как для питания многих современных устройств нужно не только переменное, но и постоянное напряжение, то для этих целей не всегда есть возможность применять такой источник энергии, как аккумуляторная батарея. Именно она выдаёт идеальное постоянное напряжение путём химической реакции.

Раньше для преобразования и понижения напряжения применялись только низкочастотные трансформаторы, работающие в паре с выпрямителем и сглаживающим фильтром. Однако они обладали очень большими габаритами.

С ростом и развитием инновационных технологий в быту и на производстве стали появляться электронные устройства, требующие миниатюрных преобразовательных устройств. Так и появились импульсные преобразователи постоянного напряжения. Миниатюрность их требуется больше для переносных мобильных устройств, нежели для стационарных.

Все импульсные преобразователи можно разделить на следующие группы:

1. Повышающие, понижающие, инвертирующие;
2. Со стабилизацией и без неё;
3. С гальванической развязкой и без неё;
4. Регулируемые и нерегулируемые;
5. Обладающие различным диапазоном входного и выходного напряжения.

Однако импульсные преобразователи собраны на более сложных схемах, нежели их предшественники классические понижающие выпрямители.

Принцип действия

Классические преобразователи с регулировкой выходного напряжения, как правило, управляют сопротивлением элемента, выполняющего регулировочную роль (транзистор или тиристор), через него постоянно протекает электрический ток, который и заставляет данный элемент нагреваться, при этом теряется значительная часть мощности. Главное преимущество такого устройства это минимум запчастей, простота, и отсутствие помех. Все остальные характеристики больше относятся к недостаткам.

Импульсный преобразователь напряжения использует регулировочный элемент лишь в виде ключа. То есть он работает в двух режимах:

• Закрыт, и не пропускает электрический ток;
• Открыт, и имеет минимальное проходное сопротивление.

При этом каждый из режимов обладает низким выделением тепла, что даёт возможность показывать высокий коэффициент полезного действия (КПД). Нагрузка же получает непрерывно электроэнергию за счёт накопления и хранения её в таких электрических резервуарах, как:

1. Индуктивность (катушках);
2. Конденсаторах.

Регулировка происходит за счёт изменения времени замкнутого состояния ключевого элемента. Снижение габаритов, а также массы устройств, возможно только за счёт повышения частоты, от 20 кГц до 1 МГц. Импульсные устройства могут формировать на выходе как пониженное напряжение, так и с изменением полярности. За счёт применения в них трансформаторов, работающих на высоких частотах позволяет:

1. Качественно изолировать вход от выхода;
2. Получить на выходе устройства несколько выходных напряжений.

Как и любое устройство импульсный преобразователь обладает и недостатками, которыми являются:

1. Сложность схемы и наличие большего количества запчастей, а значит потенциально существует больше причин поломки;
2. Являются источниками помех.

Однако постоянное развитие технологий в этом направлении снижают эти недостатки к минимальным значениям.

Классификация и виды импульсных преобразователей

Выпускаемые преобразователи можно разделить на три основные группы по роду тока:

1. Конверторы. Выполняют преобразование переменного напряжения (АС) в постоянное (DC). Они применяются в основном в промышленности и в быту для изолированного питания устройств потребителей, где используется переменное напряжение 380/220 Вольт с частотой 50 Гц;
2. Инверторы. Они постоянное напряжение преобразуют в переменное. Применяются в устройствах бесперебойного питания, а также сварочных аппаратах где за счёт такого преобразования есть возможность уменьшения габаритов, а значит и веса устройств.
3. Конверторы постоянного напряжения. Преобразуют DC в DC. Применяются для питания аккумуляторных батарей и их подзарядки в системах где питание происходит от одного конвертора AC/DC, а каждый уже непосредственный аккумулятор получает за счёт конвертора DC/DC нужное конкретно для него напряжение.

Самые распространённые схемы

Существует несколько классических стандартных схем, которые чаще всего применяются в импульсных преобразователях постоянного напряжения. Они обеспечивают разные величины соотношений между входным и выходным напряжением. Эти схемы раскрывают саму суть преобразователей и их принцип работы.

Понижающий преобразователь напряжения и его схема

Она используется для питания потребителей, нагрузка которых выражается большими токами и малым напряжением. Это первоочередная схема способная заменить классический низкочастотный преобразователь, в свою очередь, обеспечит увеличение КПД, уменьшит габариты и вес устройства.

Транзистор VT выполняет роль электронного ключа, его работа лежит между двумя режимами осечки (полного закрытия) и насыщения (полного открытия). Расчет каждой детали производится непосредственно для конкретного потребителя и источника напряжения.

Основным недостатком данной схемы является вероятность пробоя и появление полного большого входного напряжения на потребителе. Это, несомненно, приведёт к неисправности питаемого устройства.

Повышающий преобразователь и схема

Она может быть использована для получения напряжения на потребителе или на нагрузке больше чем на источники энергии.

Применяется для подсветки дисплеев портативных компьютеров и для других электронных устройств где необходимо из небольшого напряжения сделать большее.

Здесь имеет место процесс появления ЭДС самоиндукции, которая появляется после открытия транзистора. Вся накопленная энергия в дросселе попадает в нагрузку. При этом напряжение на выводах дросселя меняет свою полярность.

Инвертирующая схема

Может использоваться для получения напряжения, которое обладает обратной полярностью. При этом по значению U вых может быть меньше или больше U вх. Энергия, которая скапливается в дросселе направляется в нагрузку через сглаживающий конденсатор.

Как видно из этих схем все они не имеют гальванической развязки, то есть непосредственной изоляции вторичного выходного напряжения от входного.

Вот одна из таких схем, содержащих трансформатор. Энергия, которая накапливается в магнитном поле первичной обмотки трансформатора, в нагрузку выводится через вторичную обмотку. Трансформатор в этом случае может быть и повышающим и понижающим. Применяется очень часто в сетевых источниках где есть необходимость снижения входного напряжения от нескольких сотен вольт до единиц или десятков.

В момент когда транзистор закрывается трансформатор своей индуктивностью может вызвать на коллекторе высоковольтный скачок или всплеск, что несомненно, очень плохо и может привести к пробою полупроводникового элемента.

Для этого и устанавливается RC-цепочка из конденсатора и катушки индуктивности, которая может быть подключена параллельно ключу или первичной обмотке.

Такой обратноходовой импульсный преобразователь широко используется во многих сетевых источниках электрического тока с небольшой мощностью порядка 100 Вт.

Еще одна схема с трансформатором и прямым включением диода изображена на схеме ниже.

Используется в источниках питания около 250 Вт. Все эти рассмотренные выше преобразователи называются однотактные, потому что за один период преобразования в нагрузку будет поступать только один импульс.

Основное их преимущество — это простота схемы состоящей всего из одного транзистора, работающего в режиме ключа, а недостаток намагничивание сердечника которое не даёт в полном объёме использовать с максимальным КПД этот магнитный материал.

Передача энергии потребителю и подготовка трансформатора к следующему циклу размагничивания осуществляется с некоторой паузой которая и снижает их выходную мощность.

Вот несколько практических реализованных в жизни схем, основой которого является импульсный преобразователь. Первая из них имеет регулировочный элемент, выполненный на микросхеме, в свою очередь, обе схемы выполнены на полевых транзисторах. Расчет их выполнен под напряжение для нагрузки от 5 до 12 Вольт.

Методы регулировки

Существуют три вида регулирования в системах импульсных преобразователей:

1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) Распространённый метод, который применяется в массовом производстве управляющих микросхем;
2. Частотно-импульсное регулирование (ЧИМ). Здесь продолжительность когда ключ находится во включенном режиме должна быть согласована с периодом колебаний в контуре, обеспечивающем малые значения тока и напряжения на ключе в момент переключения. Используется там, где реализованы резонансные схемы.
3. Комбинированный вид. Метод свойственен системам, в которых используется автоколебательный процесс, а частота переключения находится в зависимости и от напряжений на входе, и выходе преобразователя, и от величины тока в цепи потребителя;
4. Триггерный метод. Используем исключительно в схеме понижающего регулятора, в котором необходимо, чтобы при закрытом состояния ключа, то есть транзистора, величина напряжения в нагрузке увеличивалась.

Критерии выбора

Критерии которым должен отвечать качественный импульсный преобразователь и стабилизатор:

• Продолжительный режим работы в экстремальных моментах когда ток в нагрузке максимален;
• Полная автоматизация регулирования напряжения на выходе. Только тогда можно не бояться ни перегрузок, ни даже короткого замыкания;
• Высокая надёжность устройства, обусловленная высоким показателем КПД и как следствие низким выделением тепла;
• Минимальные габариты и вес;
• Наличие гальванической развязки, которая исключает даже теоретически саму возможность попадания опасного напряжения входа, на выходные контакты, а значит на незащищенный потребитель.

Человек не знакомый с электроникой должен помнить при выборе нужного бытового стабилизатора напряжения что он должен соответствовать главным образом мощности тех приборов, к которым он будет подключен.

А также падения и всплескам напряжения, которые могут возникнуть в сети.

Лучше выбирать стабилизатор или импульсный понижающий преобразователь напряжения немного с запасом по мощности, так как количество используемых потребителей в квартирах и частных домах постоянно растёт.

Источник: https://amperof.ru/elektropribory/preobrazovateli-napryazheniya-impulsnye.html

Источники питания. Часть 2 — Импульсные преобразователи

DC-DC преобразование
Для изменения напряжения постоянного тока с минимальными потерями используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, она же PWM по басурмански).

Если не читал мои прошлые статьи, где я подробно разжевал принцип работы ШИМ, то я кратенько тебе напомню. Основной принцип тут в том, что напряжение подается не сплошным потоком, как в линейных стабилизаторах, а краткими импульсами и с большой частотой.

Готовый девайс

То есть у тебя на выходе ШИМ контроллера, например, сначала в течении десяти микросекунд напряжение, к примеру, двенадцать вольт, потом идет пауза. Скажем, те же десять микросекунд, когда на выходе напряжения вообще нет.

Затем все повторяется, словно мы быстро-быстро включаем и выключаем рубильник.

Таким образом у нас получаются прямоугольные импульсы. Если вспомнить матан, а конкретно интегрирование, то после интегрирования этих импульсов мы получим площадь под фигурой очерченной импульсами. Таким образом, меняя ширину импульсов и пропуская их через интегратор, можно плавно менять напряжения от нуля до максимума с любым шагом и практически без потерь.

В качестве интегратора служит конденсатор, он заряжается на пике, а на паузах будет отдавать энергию в цепь. Также туда всегда последовательно ставят дроссель, который тоже служит источником энергии, только он запасает и отдает ток.

Поэтому такие преобразователи при небольших габаритах легко питают мощную нагрузку и при этом почти не расходуют энергию на лишний нагрев.

Если не догнал, то я для простоты переложил это в понятное «канализационное русло». Смотри на картинку, где ключевой транзистор ШИМ контроллера похож на вентиль, он открывает и закрывает канал.

Конденсатор это банка, накапливающая энергию. Дроссель это массивная турбина, которая, будучи разогнанной потоком, при открытом вентиле, за счет своей инерции прогоняет воду по трубам и после закрытия вентиля.

Конечно, самостоятельно разработать такой источник питания сложно, требуется неслабое образование в области электроники, но не стоит напрягаться по этому поводу.

Умные дядьки из Motorola, STM, Dallas и прочих Philips’ов придумали все за нас и выпустили уже готовые микросхемы содержащие в себе ШИМ контроллер.

Тебе остается его лишь припаять и добавить обвески, которая задает параметры работы, причем изобретать самому ничего не надо, в datasheet’ах подробно расписано что и как подключать, какие номиналы выбирать, а иногда даже дают готовый рисунок печатной платы. Надо лишь немного знать английский 🙂

Принцип работы импульсного БП

Схема нашего преобразователя

Рисунок печатной платы

А сейчас, в порядке практического задания, под моим чутким руководством, ты построишь себе универсальный зарядник для сотового телефона, который можно будет подключать к любому источнику постоянного или переменного напряжения от 8 до 40 вольт. И неважно, что это будет, хоть бортовая сеть автомобиля, связка батареек или какой-нибудь совершенно левый блок питания от свитча или модема, лишь бы не меньше восьми и не больше сорока вольт.

Анализируем задание
Итак, по техзаданию, у нас на входе напряжение может быть как постоянным, так и переменным. А на входе DC-DC должно быть всегда постоянное. Что делать? Правильно, выпрямлять! Перечитай про выпрямители в первой части статьи и воткни на входе схемы диодный мост.

Можно и без него, но тогда источники переменного тока отпадают как класс, да и тебе придется каждый раз определять полярность питающего источника, а это моветон. Поскольку после моста напряжение все равно будет пульсирующим, то повесь в параллель конденсатор. Он его немного сгладит.

Дальше ШИМ контроллер, я рекомендую широко распространенный и любимый всеми электронщиками МС34063х, где на месте «х» может быть любая буква, обычно «А». Тебе он нужен в DIP-8 корпусе, с длинными выводами который.

Надеюсь, ты уже выучил все популярные типы корпусов и теперь сразу представляешь себе как он выглядит. Дальше открываем с диска даташитину и смотрим схему понижающего преобразователя, зовется она Step-Down. Подключаем ее как есть, не меняя ничего. Общий или земля у нас это традиционно минус, а плюс Vin.

Выходом служит Vout в качестве плюса, а в качестве минуса все тот же общий провод. Вот тут главное не перепутать подключение к мобильнику. Поэтому посмотри тестером полярность подачи напряжения на разъем твоей мобилы.

Точный расчет – главное качество инженера!
Такс, схему мы набросали, осталось только ее сконфигурировать. Это не цифровое устройство, поэтому конфигурация тут задается установкой необходимых номиналов резисторов.

Резистор Rsc я обычно заменяю на перемычку из куска провода. Его величина определяет перегрузочную способность. При перемычке преобразователь выдаст все, на что он способен, но может сгореть если от него потребовать невозможное.

Наличие там резистора на 0.33 ома заставит преобразователь заглохнуть при предельной для него перегрузке, чем выше сопротивление Rsc тем при меньшей нагрузке заглохнет преобразователь.

Иногда полезно, когда тебе надо ограничить максимальный выходной ток со стороны источника.

Дроссель L1 выбирается только исходя из индуктивности и перегрузочного тока. На схеме указан дроссель индуктивностью 220 микроГенри, а ток у него должен быть не меньше 500-600 миллиампер (средний ток зарядки любого современного сотового).

Дроссель можно купить готовый, можно намотать самому. В принципе величина индуктивности может очень сильно варьироваться от 50 до 300 микроГенри, работать будет, но КПД возможно снизится. Главное, чтобы по току проходил, иначе будет сильно греться, а потом и вовсе сгорит.

Диод купи тот же, который и указан в схеме, благо он не редкость. Если не найдешь точно такой, то возьми любой диод Шоттки с расчетным током не меньше одного ампера.

Диод Шоттки отличается от обычного диода тем, что у него дикое быстродействие. При смене направления напряжения он закрывается в порядке быстрей чем обычный, не допуская даже малейших утечек тока в обратную сторону.

Через него будет замыкаться цепь катушка – конденсатор – нагрузка, когда транзистор в микросхеме закроется.

Теперь надо задать выходное напряжение. Для этого тебе надо взять тестер и померить сколько вольт выдает твой зарядник для сотового. У меня все зарядники выдают примерно по 7 вольт.

Порывшись в даташите нахожу формулу зависимости выходного напряжения от резисторов R1 и R2
Для Step-Down схемы выглядит она так: Vout=1.25(1+R2/R1).

Чтобы получить напряжение в 7 вольт сопротивление R2 должно быть 4.7 кОм, а R1 должен быть равен 1 кОм. Получим 7.

125 вольта, но это не страшно, невелика погрешность и эти излишки все равно упадут где-нибудь на потерях в проводах. Собственно вот и все, вот мы и разработали с тобой универсальный преобразователь для своих девайсов. Теперь осталось только протравить плату и спаять.

Главное НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ СОВАТЬ этот зарядник в РОЗЕТКУ, т.к. там напряжение 220 вольт, а наша схема расчитана на 40 вольт максимум!

Именно два таких преобразователя на 3.3 и на 5 вольт стоят в силовом блоке моего робота.

Кстати, если покопаешься в даташите, то найдешь там и повышающую схему, зовется Step-Up.

Если выкинуть нафиг диодный мост (за ненужностью) и собрать всю конструкцию по Step-Up схеме, то ты сможешь заряжать сотовый телефон от трех, а то и двух пальчиковых батареек, если хватит трех вольт для раскачки микросхемы.

Также тебе никто не мешает порыться в инете и найти DC-DC преобразователь, работающий от 1, а то и от 0.5 вольт и сделать на нем повышающий преобразователь.

Источник: http://easyelectronics.ru/istochniki-pitaniya-chast-2.html

Страничка эмбеддера » Компенсация обратной связи в импульсных источниках питания часть 1

Сегодня я хотел бы рассказать об одном из сложных вопросов электроники — компенсации обратной связи применительно к импульсным источникам питания (ИИП).

Вопрос этот действительно сложен. О нем написаны толстенные талмуды (предмет называется ТАУ), требующие некислого знания  математики. Я попробую без привлечения сложной математики, объяснить что значат все эти полюсы и нули и как заставить ваш источник питания работать стабильно.

Эта статья – одна из самых сложных на этом сайте, и врядле хорошо пойдет с пивком.

Для чего нужна компенсация?

Сердцем любого источника питания является цепь обратной связи. Она должна поддерживать выходное напряжение на постоянном уровне. Для этого используется так называемый усилитель ошибки — он минимизирует рассогласование между опорным напряжением и выходным напряжением источника питания.

Естественно, на практике все оказывается не так ажурно. В любой системе есть задержки. Если задержка распространения сигнала оказывается сильно большой, то получается очень неприятная ситуация, к примеру:

Контроллер “видит”, что на выходе источника слишком маленькое напряжение и начинает его повышать. Когда контроллер узнает, что напряжение достигло номинала, он отключается, однако напряжение продолжает нарастать — ведь в схеме есть задержка. Контроллер пытается скомпенсировать это нарастание и уменьшает напряжение. Однако, из-за задержки, напряжение опять падает ниже номинала.

Таким образом, наша отрицательная обратная связь превращается в положительную. На выходе нашего ИИП появляются колебания напряжения. Эти колебания бывают затухающие и незатухающие. Блоки питания в которых могут возникнуть незатухающие колебания называют нестабильными.

Наша задача получить затухающие колебания как можно меньшей амплитуды и продолжительности.

Обратная связь в импульсных блоках питания широкополносна — чем шире диапазон частот в котором работает наша обратная связь, тем меньше пульсаций на выходе.

Диаграмма Боде

Оказалось, что очень удобно представлять задержки и усиление в разных цепях с помощью так называемой диаграммы Боде.

Она состоит из двх графиков — графика амплитудно-частотной характеристики (АЧХ ) и графика фазо-частотной характеристики (ФЧХ). На обоих частота откладывается в логарифмическом масштабе (1…10…100…1000).

На амплитудном графике в логарифмическом масштабе (в дицибелах) откладывается коэфициент усиления. На фазовом графике откладывается задержка в градусах.

Теперь я буду говорить много умных слов. Чтобы вам было понятно, опишу некоторые из них —

• Децибел  (дБ) – про него и так много написано. Можно воспринимать просто как единицу измерения с хитрым свойством – когда сигналы умножаются, их децибельные представления суммируются.
• Декада – изменение частоты в 10 раз. К примеру, выше на две декады – это значит, что частота увеличилась в 100 раз.
• Октава – изменение частоты в 2 раза.
• Передаточная характеристика – отношение выходного сигнала ко входному

Да, задержку в источниках питания измеряют в градусах. В градусах относительно той частоты на которой измеряется задержка.

Пример диаграммы боде для простых случаев:

Итак, тут мы видим фильтр высоких частот.

На верхнем графике показана передаточная характеристика этой цепочки (амплитудная характеристика). Красная линия – это настоящая  передаточная характеристика, а черная– ее линейная аппроксимация.

Такие линейные аппроксимации очень удобно использовать на практике и дальше мы будем использовать только их. Наклон  этой красной линии — +20дБ/дек (при каждом увеличении частоты в 10 раз, коэффициент передачи цепочки увеличивается на 20дБ).

Зеленой линией обозначена критическая частота. Для RC цепочки такая частота всегда равна

На нижнем графике изображена ФЧХ этого фильтра. Так-же как и на верхнем, красная линия – настоящая, черная– аппроксимация.

Для RC цепочки характерно, что излом фазовой характеристики начинается на декаду раньше критической частоты.

На критической частоте достигает 45 градусов, а на декаду выше критической частоты, фазовая характеристика становится постоянной. Суммарное изменение фазы составляет +90 градусов.

Из-за характерного вида математического выражения передаточной функции в (!!внимание, маты!!) s-плоскости, такой излом назвали нулем передаточной функции. Это непонятное слово можно очень часто встретить в литературе посвященной обратной связи. Мы тоже будем его часто использовать.

Разберемся с противоположным примером:

Тут мы видим фильтр низких частот. Все точно так-же, как и для ФВЧ, только наклон амплитудной характеристики –20дБ/дек, а фаза изменяется на –90 градусов. Такой излом называют полюсом передаточной функции.

Для того, чтобы быть совсем уж справедливым, покажу еще LC фильтр, который очень часто стоит на выходе ИИП:

Тут все сложнее, но не намного. Во-первых, наклон амплитудной характеристики –40дБ/дек, во-вторых, фаза измениется уже на 180 градусов. Такая цепочка обладает двуполюсной передаточной характеристикой (да-да, она как два RC фильтра и скорость падения усиления в два раза больше – уловили закономерность?).

Еще такая цепочка обладает резонансным “горбом”. На практике (в источниках питания) он небольшой, поэтому на него смело забивают и аппроксимируют прямыми линиями.

Точно такие-же характеристики и у соответствующих активных фильтров.

Критерий устойчивости

Теперь, когда мы знаем, что такое диаграмма боде, мы готовы узнать что нужно сделать, чтобы блок питания не подсвистывал.

Все очень просто. Во всей полосе частот, где суммарное усиление прямой и обратной связи больше 0дБ (1 раз), отставание по фазе не должно превышать 310 градусов. (180 градусов вносит инвертирующий вход усилителя ошибки).

В реальной жизни АЧХ и ФЧХ однозначно связанны так называемым (!!внимание, маты!!)  преобразованием Гильберта. Это дает нам возможность вывести очень простое правило (ради него по сути вы и читали весь предыдущий бред):

Скорость спада АЧХ разомкнутого контура обратной связи должны быть 20дБ/дек во всей полосе, где коэффициент передачи обратной связи больше 0дб

В принципе, это правило не точно, системы со спадом в 40дБ/дек могут быть устойчивы. А вот системы со спадом в 60дб/дек более всегда неустойчивы. Но мы рисковать не будем, будем подчиняться правилу.

Нули точно противоположны полюсам. Тоесть если поставить нуль где-то около полюса то они компенсируются. Верно и обратное – полюс компенсирует нуль. Компенсирующие нули или полюса можно поставить немного раньше или немного позже компенсируемых. Главное, чтобы фаза не успела зайти в диапазон нестабильности.

Рассмотрим, к примеру, простую, но нестабильную схему

Диаграмма Боде от входа обратной связи (ножка 2) до напряжения на конденсаторе при разомкнутой петле обратной связи

На графике АЧХ, 80дБ – это усиление ОУ с открытой петлей. Сначала сказывается внутренний полюс ОУ (пусть, он будет на 10гц) и усиление спадает со скоростью 20дБ/дек. Если бы не полюса LC-фильтра то усиление продолжило бы спадать как показано желтой линией. Однако в игру входит фильтр настроенный на 50Гц и скорость спада усиления составляет уже 60дБ/дек. Усиление достигает 0 дБ в точке 650Гц

Теперь разберемся с ФЧХ. Инвертирующий вход операционника добавляет 180 градусов к фазе. И дальше фаза изменяется как и положено фазе однополюсной передаточной функции. Однако появляется LC фильтр и портит всю малину.

Фаза теперь очень быстро доходит до –450 градусов (-180 от LC и –90 от операционника –180 от инвертирующего входа). Как вы наверняка знаете, 360 градусов для периодической функции это все-равно, что 0 градусов.

Поэтому ФЧХ залазит за 360 и вылазит в нуле.

Красным отмечена зона нестабильности. В этой области отрицательная обратная связь становится положительной. На картинке есть небольшие зазорчики от –90 и –270 градусов до зоны нестабильности. Эти зазорчики называются зоной метастабильности. В этой зоне устройство будет работать, но работать будет криво, и поэтому туда лучше не соваться.

Как видно из графика, наше устройство станет прекрасным генератором где-то в диапазоне от 20 до 100 гц. Наше правило о том, что скорость спада АЧХ должна быть 20 дБ/дек не выполняется.

Эй, хватит трындеть. Давай, застабилизируй что-нибуть!

Для начала давайте стабилизируем предыдущую конструкцию. Не смотря на то, что она довольно простая, она требует довольно серьезного стабилизатора.

Возьмем L = 4.7uH, C = 1000u. ОУ – TL072, к примеру. В реальности такая схема работать не будет – ОУ не потянет такую большую нагрузку, но для примера — сойдет.

Передаточная характеристика такой схемы содержит три полюса — полюс ОУ на 15Гц и два полюса нашего LC фильтра на 2.32кГц

Диаграмма Боде этой схемы из симулятора:

Нам нужно добиться скорости спада АЧХ 20дБ/дек. Тоесть из трех полюсов которые сейчас есть в системе нужно оставить только один.

Компенсация (кроме совсем примитивных случаев) — процесс творческий. Существует множество компромиссов, на которые придется пойти. Я использую симулятор для того, чтобы “потыкаться” и выбрать лучшее решение.

Итак, компенсируем первый полюс. Для этого в обратную связь операционного усилителя вводим последовательную RC цепочку. Это аналог обычного RC ФВЧ, он дает нуль.

R1 пытаемся сделать как можно большим, к примеру, мегаом. R2 пока ставим от балды. С2 выбираем так, чтобы он развернул фазу по максимуму до того, как LC фильтр ее дернет на 180 градусов.

Тоесть ставим за декаду до частоты резонанса LC фильтра – на 232Гц.

Симулируем такую цепь, получаем такую АЧХ:

Примерно до 20кГц скорость падения АЧХ стала 40дБ/окт. Дальше у ОУ появляется еще один полюс и скорость падения вновь увеличивается. Это явление происходит вне полосы обратной связи и поэтому нас не интересует.

Осталось скомпенсировать еще полюса. Для этого вводим еще один фильтр. Теперь на вход:

На входе получилась цепочка чем-то напоминающая мост Вина. А на диаграмме Боде появился резонансный выброс.

Краешком этого выброса мы “подпираем” спадающую характеристику   до 10кГц. Видим, что фаза находится в пределах 180 градусов, что вообщем-то нас устраивает. Система будет слезка звенеть при изменении нагрузки, но зато уже не начнет осциллировать.

Все! петлю обратной связи можно замыкать!

Ну и что нам теперь с этим делать?

Настоящие импульсные источники питания имеют недостаток – проанализировать их не так просто как я сделал это с нашим примером. С другой стороны все импульсные блоки питания уже созданы и обмеряны.

Нам останется только подстроить готовые диаграммы Боде конкретной топологии импульсного источника под конкретный случай. Сделать это достаточно просто, если понимать теорию изложенную в этой статье.

Если я пересилю лень, то напишу статью с рецептами приготовления обратных связей к конкретных топологиях ИИП.

Еще почитать

К сожалению, единственный человек, который пытался доступно описать эту тему – Dixon, за что ему огромное спасибо. Похоже он только обратной связью и занимался – других его статей я не видел. Его статьи:

 Dixon – Closing The Feedback loop.
 Dixon – Control Loop Cookbook
 Dixon – Control Loop Design

Конечно-же существует море (хотя не такое уж и море) книг по ТАУ, но сразу хочу предупредить, что читать их нужно не с пивом, а как ландавшица — с водярой.

Источник: http://bsvi.ru/kompensaciya-obratnoj-svyazi-v-impulsnyx-istochnikax-pitaniya-chast-1/

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

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.

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.

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

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).

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 БП
• внешние блоки питания;
• электронный балласт для осветительных приборов;
• БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

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

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: https://www.asutpp.ru/impulsnyj-blok-pitaniya.html

Как сделать импульсный блок питания своими руками?

Если нет желания устанавливать громоздкий трансформатор или создавать намотку, можно своими руками собрать блок питания импульсного типа, который требует трансформатора всего с несколькими витками.

При этом, потребуется небольшое количество деталей, а работу можно выполнить за 1 час. В данном случае, основой для блока питания используется микросхема IR2151.

Для работы понадобятся следующие материалы и детали:

1. PTC термистор любого типа.
2. Пара конденсаторов, которые выбираются с расчетом 1мкф. на 1 Вт. При создании конструкции подбираем конденсаторы так, чтобы они вытянули 220 Вт.
3. Диодная сборка типа «вертикалка».
4. Драйвера типа IR2152, IR2153, IR2153D.
5. Полевые транзисторы типа IRF740, IRF840. Можно выбрать и другие, если у них хороший показатель сопротивления.
6. Трансформатор можно взять из старых компьютерных системных блоков.
7. Диоды, устанавливаемые на выходе, рекомендуется брать из семейства HER.

Кроме этого, понадобятся следующие инструменты:

1. Паяльник и расходные материалы.
2. Отвертка и плоскогубцы.
3. Пинцет.

Также, не стоит забывать и о необходимости хорошего освещения на месте работы.

Пошаговая инструкция

принципиальная схемаструктурная схема

Сборка проводится согласно составленной схеме цепи. Микросхема была подобрана согласно особенностям цепи.

Сборка проводится следующим образом:

1. На входе устанавливаем PTC термистор и диодные мосты.
2. Затем, устанавливается пара конденсаторов.
3. Драйвера необходимы для регулирования работы затворов полевых транзисторов. При наличии у драйверов индекс D в конце маркировки устанавливать диод  FR107 не нужно.
4. Полевые транзисторы устанавливаются без закорачивания фланцев. При проведении крепления к радиатору, используют специальные изоляционные прокладки и шайбы.
5. Трансформаторы устанавливаются с закороченными выводами.
6. На выходе диоды.

Все элементы устанавливаются в отведенные места на плате и припаиваются с обратной стороны.

Проверка

Для того, чтобы правильно собрать блок питания, нужно внимательно отнестись к установке полярных элементов, а также следует быть осторожным при работе с сетевым напряжением. После отключения блока от источника питания, в цепи не должно оставаться опасного напряжения. При правильной сборке, последующая наладка не проводится.

Проверить правильность работы блока питания можно следующим образом:

1. Включаем в цепь, на выходе лампочка, к примеру,12 Вольт. При первом кратковременном пуске, лампочка должна гореть. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что все элементы не должны нагреваться. Если что-то греется, значит, схема собрана неправильно.
2. При втором пуске замеряем значение тока при помощи тестера. Даем проработать блоку достаточное количество времени для того, чтобы убедиться в отсутствии нагревающихся элементов.

Кроме этого, нелишним будет проверка всех элементов при помощи тестера на наличие высокого тока после выключения питания.

Рекомендации по сборке:

1. Как ранее было отмечено, работа импульсного блока питания основана на обратной связи. Рассматриваемая схема не требует специальной организации обратной связи и различных фильтров по питанию.
2. Особое внимание следует уделить выбору полевых транзисторов. В данном случае, рекомендуются полевые транзисторы IR, которые славятся устойчивостью к тепловому разрешению. Согласно данным производителя, они могут стабильно работать до 150 градусов Цельсия. Однако, в этой схеме они не сильно нагреваются, что можно назвать весьма важной особенностью.
3. Если нагрев транзисторов происходит постоянно, следует устанавливать активное охлаждение. Как правило, оно представлено вентилятором.

Достоинства и недостатки

Импульсный преобразователь имеет следующие достоинства:

1. Высокий показатель коэффициента стабилизации позволяет обеспечить условия питания, которые не будут вредить чувствительной электронике.
2. Рассматриваемые конструкции обладают высоким показателем КПД. Современные варианты исполнения имеют этот показатель на уровне 98%. Это связано с тем, что потери снижены до минимума, о чем говорит малый нагрев блока.
3. Большой диапазон входного напряжения – одно из качеств, из-за которого распространилась подобная конструкция. При этом, КПД не зависит от входных показателей тока. Именно невосприимчивость к показателю напряжения тока позволяет продлить срок службы электроники, так как в отечественной сети электроснабжения прыжки показателя напряжения частое явление.
4. Частота входящего тока оказывает влияние на работу только входных элементов конструкции.
5. Малые габариты и вес, также обуславливают популярность из-за распространения портативного и переносного оборудования. Ведь при использовании линейного блока вес и габариты увеличиваются в несколько раз.
6. Организация дистанционного управления.
7. Меньшая стоимость.

Есть и недостатки:

1. Наличие импульсных помех.
2. Необходимость включения в цепь компенсаторов коэффициента мощности.
3. Сложность самостоятельного регулирования.
4. Меньшая надежность из-за усложнения цепи.
5. Тяжелые последствия при выходе одного или нескольких элементов цепи.

При самостоятельном создании подобной конструкции, следует учитывать то, что допущенные ошибки могут привести к выходу из строя электропотребителя. Поэтому нужно предусмотреть наличие защиты в системе.

Устройство и особенности работы

При рассмотрении особенностей работы импульсного блока, можно отметить следующие:

1. Сначала происходит выпрямление входного напряжения.
2. Выпрямленное напряжение в зависимости от предназначения и особенностей всей конструкции, перенаправляется в виде прямоугольного импульса высокой частоты и подается на установленный трансформатор или фильтр, работающий с низкими частотами.
3. Трансформаторы имеют небольшие размеры и вес при использовании импульсного блока по причине того, что повышение частоты позволяет повысить эффективность их работы, а также уменьшить толщину сердечника. Кроме этого, при изготовлении сердечника может использоваться ферромагнитный материал. При низкой частоте, можно использовать только электротехническую сталь.
4. Стабилизация напряжения происходит при помощи отрицательной обратной связи. Благодаря использованию данного метода, напряжение, подаваемое к потребителю, остается неизменным, несмотря на колебание входящего напряжения, и создаваемой нагрузки.

Обратная связь может быть организована следующим образом:

1. При гальванической развязке, используется оптрон или выход обмотки трансформатора.
2. Если не нужно создавать развязку, используется резисторный делитель напряжения.

Подобными способами выдерживается выходное напряжение с нужными параметрами.

Стандартные блоки импульсного питания, который может использоваться, к примеру, для регулирования выходного напряжения при питании светодиодной лампы, состоит из следующих элементов:

1. Часть входная, высоковольтная. Она, как правило, представлена генератором импульсов. Ширина импульса — основной показатель, оказывающий влияние на выходной ток: чем шире показатель, тем больше напряжение, и наоборот. Импульсный трансформатор стоит на разделе входной и выходной части, проводит выделение импульса.
2. На выходной части стоит PTC термистор. Он изготавливается из полупроводника, имеет положительный показатель коэффициента температуры. Данная особенность означает, что при повышении температуры элемента выше определенного значения, значительно поднимается показатель сопротивления. Используется в качестве защитного механизма ключа.
3. Низковольтная часть. С низковольтной обмотки проводится снятие импульса, выпрямление происходит при помощи диода, а конденсатор выступает в качестве фильтрующего элемента. Диодная сборка может провести выпрямление тока до значения 10А. Следует учитывать, что конденсаторы могут быть рассчитаны на различную нагрузку. Конденсатор проводит снятие оставшихся пиков импульса.
4. Драйвера проводят гашение возникающего сопротивления в цепи питания. Драйвера во время работы проводят поочередное открытие затворов установленных транзисторов. Работа происходит с определенной частотой
5. Полевые транзисторы выбирают с учетом показателей сопротивления и максимального напряжения при открытом состоянии. При минимальном значении, сопротивления значительно повышается КПД и уменьшается нагрев во время работы.
6. Трансформатор типовой для понижения.

С учетом выбранной схемы, можно приступать к созданию блока питания рассматриваемого типа.

0,00, (оценок: 0)Загрузка…

Источник: http://slarkenergy.ru/oborudovanie/bp/impulsnye-svoimi-rukami.html