Сайт Кравченко К.В.

Импульсные источники питания.

Сайт Кравченко К.В.: www.kkbweb.narod.ru

Казалось бы, что еще надо? Проще не придумаешь! Трансформатор, мостовой выпрямитель и фильтр – все просто и понятно. Так нет, напридумывали всяких импульсных блоков питания, ломай себе голову! Каждая уважающая себя фирма лепит свои блоки, по своим схемам, а бедный владелец думай как хочешь – самому ремонтировать сильно сложно и непонятно, а в мастерской сдерут три шкуры!

Так вот, я хочу сказать, что ничего особо сложного в импульсных блоках питания нет. Да, ИБП сложнее, чем обычные блоки питания. Но это потому, что к функциям ИБП относятся не только получение питающих напряжений, но и стабилизация их величин, а также защита самого ИБП и каскадов, которые от него питаются, от различных неприятностей.

Если вы немного знаете радиотехнику, знаете, как работает обычный блок питания, то эта статья для вас. Ну, начнем!

Первоначальное распространение ИБП получили преимущественно в телевизионных приемниках, в дальнейшем — в видеомагнитофонах и другой видеоаппаратуре, что объясняется в основном двумя причинами. Во-первых, чувствительность ТВ и ВМ к создаваемым импульсным БП помехам значительно ниже, чем, например, аппаратуры звуковоспроизведения, особенно высококачественного. Во-вторых, ТВ и ВМ отличаются относительным постоянством и сравнительно небольшой величиной (10...80 Вт) мощности, потребляемой в нагрузке. Колебания этой мощности в ТВ обусловлены изменениями яркости экрана при смене сюжетов и составляет не более 20 Вт (приблизительно 30 % максимальной потребляемой мощности). Для ВМ колебания мощности, потребляемой в нагрузке возникают, в основном, только при переключении режимов работы ЛПМ и составляют не более нескольких единиц Ватт. Для примера, в стереофоническом усилителе с выходной мощностью 2 х 20 Вт колебания мощности достигают 70-80 Вт (приблизительно 70-80 % максимальной потребляемой мощности). Поэтому для этого класса радиоаппаратуры ИБП получаются более дорогостоящими из-за необходимости использования мощных двухтактных схем преобразователей (конверторов), более сложных стабилизаторов, фильтров и т.д.

В связи с этим, конструкторы как более ранних, так и современных моделей ТВ и ВМ. как правило, придерживаются хорошо зарекомендовавших себя с точки зрения надежности, экономичности и простоты принципов построения импульсных блоков питания. Основные усилия направляются, в первую очередь, на совершенствование и микроминиатюризацию элементной базы; повышение надежности ИБП (в том числе путем введения различных защит) и расширение рабочего диапазона питающего их напряжения сети.

Сердце импульсных источников питания - автогенератор

Несмотря на большое разнообразие схем ИБП принцип работы большинства их одинаков. Выпрямленное напряжение сети питает однотактный автогенератор, нагрузкой которого является импульсный трансформатор со вторичными выпрямителями, от которых питаются все потребители. Автогенератор выполнен по схеме с глубокой индуктивной положительной обратной связью. Транзистор автогенератора работает в ключевом режиме. Когда транзистор открыт, происходит накопление энергии в импульсном трансформаторе, когда закрыт – энергия отдается в нагрузку.

На рис. 1 показана схема собственно автогенератора. Работает он так:

в начальный момент транзистор (ключ) VT1 закрыт. При подаче питания через R1 начинает течь небольшой ток, создающий напряжение смещения на базе ключа Uбэ, достаточное для того, чтобы вызвать небольшой ток коллектора ключа Iк, и, соответственно, через коллекторную обмотку трансформатора Iтр (см. рис.1а,б,в). По законам физики, изменение тока в обмотке I вызовет появление ЭДС индукции, которая препятствует изменению тока в обмотке и вызывает напряжения взаимоиндукции в обмотках обратной связи II и в выходной обмотке III. Обмотки включены таким образом, что на верхнем выводе обмотки III будет «минус», а на верхнем выводе обмотки II «плюс». Диод D1 будет заперт и не будет мешать, а с обмотки II «плюс» окажется приложен к базе ключа и вызовет появление дополнительного напряжения, что в свою очередь вызовет увеличение тока коллектора ключа. А увеличение тока коллектора и обмотки I вызовет увеличение напряжения на базе и так далее, то есть, произойдет лавинообразное нарастание тока коллектора. Это нарастание будет происходить, пока транзистор не войдет в режим насыщения. Это такой режим, когда транзистор физически не может пропустить больший ток. Нарастание тока прекращается. Напряжение взаимоиндукции становится равным нулю так как изменения тока через обмотку I больше не происходит, то есть на обмотках II и III напряжение исчезает. Вызвавшее такой ток коллектора напряжение на базе резко уменьшается. И ток коллектора становится небольшим. Но ток в обмотке I из-за инерционности индуктивности обмотки мгновенно уменьшиться не может. В обмотке накопилась энергия и, чтобы ток стал равным нулю, нужно эту энергию израсходовать. Ток обмотки начинает плавно уменьшаться. Так как нарастание тока и его убывание процессы противоположные, то произойдет переполюсовка ЭДС индукции, которая теперь будет направлена противоположно ЭДС при нарастании тока обмотки. При этом на обмотке возникнет импульс напряжения, который приложен «плюсом» к коллектору транзистора, а «минусом» - к «плюсу» источника питания. В результате между коллектором и эмиттером ключа возникнет импульс напряжения 500-600 В. Появление ЭДС индукции вызовет появление напряжений взаимоиндукции в обмотках II и III также другой полярности. При этом напряжение «минус» с обмотки обратной связи II надежно закроет ключ, а напряжение «плюс» с обмотки III откроет диод D1 и начнет заряжаться конденсатор C2 (см. рис.1г). Чем больше ток заряда, то есть чем быстрее израсходуется энергия трансформатора, тем быстрее процесс повторится.

Сложно? Сначала, может быть, да. Вникните, почитайте школьный учебник про свойства индуктивности. Разберитесь. Остальное будет проще!

Продолжим. Итак, сердцем импульсного блока питания является автогенератор. Причем, любого. Обязательными элементами его являются импульсный трансформатор и транзистор – ключ. Вторичных обмоток у трансформатора может быть несколько – это не имеет значения. Обязательной является обмотка обратной связи.

Подавляющее большинство ИБП выполняется по схеме, где функции генерации, управления и стабилизации напряжений вторичных источников питания совмещены. Объединение несколько функций в одном устройстве упрощает схему устройства, уменьшает потери, облегчает режим работы выходного транзистора, уменьшает габариты. Кроме того, все эти функции взаимосвязаны, поэтому их реализация труда не представляет. У таких ИБП система стабилизации перенесена из вторичных обмоток трансформатора в первичную обмотку, где значения токов уменьшены на коэффициент, равный коэффициенту трансформации. Выпрямительные диоды сетевого напряжения также перенесены в сторону первичной цепи, вследствие чего через диоды будут протекать токи, тоже уменьшенные в коэффициент трансформации раз. При этом силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц, исключается, а вместо него вводится импульсный трансформатор, работающий на частоте до 100 кГц с ферритовым магнитопроводом и имеющий в несколько раз меньшие габаритные размеры и массу. Кроме того, уменьшаются габариты фильтров вторичных выпрямителей, так как при частоте 30-100 кГц для получения хорошей фильтрации нужны существенно меньшие емкости фильтров и можно обойтись без дросселей. Поэтому при тех же параметрах блока питания габариты ИБП в десятки раз меньше габаритов обычного 50 – герцового блока питания.

Функциональная схема ИБП

Разбирая упрощенную функциональную схему ИБП, представленную на рис.2, кое в чем повторюсь

. Ее основными функциональными узлами являются сетевой выпрямитель Р со сглаживающим емкостным фильтром Сф, ключевой преобразователь напряжения (автогенератор) с импульсным трансформатором, устройство управления (контроллер) с цепью обратной связи и вторичный выпрямитель импульсных напряжений VD1, С1.

Рис 2

Напряжение сети 220 В поступает на выпрямитель Р со сглаживающим емкостным фильтром Сф. С конденсатора фильтра Сф выпрямленное напряжение через обмотку W1 трансформатора Т поступает на коллектор транзистора VT, выполняющего функций ключевого преобразователя постоянного напряжения в импульсное с частотой повторения 15-100 кГц. Ключевой преобразователь представляет собой импульсный генератор, работающий в режиме самовозбуждения. На рис. 3 приведены временные диаграммы преобразователя. В течение времени ∆Т, когда транзистор открыт, через первичную обмотку W1 трансформатора протекает линейно нарастающий ток Iк. В сердечнике трансформатора запасается энергия магнитного поля.

Когда транзистор закрывается, на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора W2 появляется положительный потенциал и накопленная энергия передается в нагрузку через диод VD1. В стационарном режиме напряжение на выходе

где n == W1/W2 — коэффициент трансформации.

Изменяя ∆Т, т. е. время, в течение которого открыт транзистор преобразователя, можно регулировать выходное напряжение. Размахи импульсов тока через транзистор и диод зависят от индуктивности первичной обмотки трансформатора. При оптимальном ее значении максимальный ток через первичную обмотку вдвое превышает средний ток через нее. При этом ток через диод прекращается в момент открывания транзистора.

Рис. 3

Изменять ∆Т можно разными способами. Наиболее подходящий способ регулирования величины выходного напряжения – широтно-импульсная модуляция. Принцип ШИМ заключается в регулировании времени, в течение которого ключевой транзистор открыт, при этом происходит регулировка количества накопленной трансформатором энергии. Основные достоинства ШИМ – постоянство периода повторений Т и простота реализации. Поэтому ШИМ применяют практически во всех конструкциях ИБП. По этой причине другие способы регулировки мы рассматривать не будем.

Более подробная функциональная схема приведена на рис. 4.

Рис 4

Рассмотрим случай, когда в установившемся режиме ток нагрузки увеличился. Это означает, что энергия, запасенная трансформатором будет расходоваться быстрее, чем обычно, т.е. время закрытого состояния ключа уменьшится. А для увеличения накопленной энергии нужно увеличить время открытого состояния ключа, чтобы в трансформаторе накопилось больше энергии. В результате общее время Т = const. Аналогично при уменьшении тока нагрузки.

Устройство управления ключевым транзистором называется контроллером (ударение на второе «о»), в данном случае – ШИМ-контроллером. Вообще под ШИМ-контроллером подразумевают все устройство управления, включая элементы запуска и защиты, так как они являются неотъемлемой частью схемы ИБП и используют часто одни и те же элементы схемы.

Схема любого импульсного блока питания состоит из следующих узлов: схемы запуска, схемы управления, схемы управления ключевым транзистором (исполнительное устройство) и схем защиты, которых в устройстве может быть несколько. Разберем по порядку свойства каждого узла.

Схемы запуска.

Необходимость схемы запуска вызвана тем, что при включении ИБП самовозбуждение автогенератора невозможно, так как разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей представляют собой короткое замыкание для импульсов, снимаемых с вторичных обмоток трансформатора. Пусковые токи могут достигать 50... 100 А, что создает аварийный режим работы для автогенератора.

Устройство запуска обеспечивает принудительное включение и выключение автогенератора в течение нескольких циклов, за время действия которых происходит заряд конденсаторов фильтров импульсных выпрямителей. Одновременно это исключает возможность возникновения аварийной ситуации, так как автогенератор плавно, постепенно выходит на номинальный режим.

В импортных схемах наибольшее распространение нашли схемы подачи начального открывающего смещения на ключ. В момент подачи питания через резисторы Rсм от «+» сетевого выпрямителя на базу ключа подается начальное смещение, достаточное для создания начального тока через ключ. За счет обмотки обратной связи происходит нарастание тока через ключ до насыщения, при этом диоды вторичных выпрямителей заперты и не мешают процессу. Как только ключ входит в режим насыщения, нарастание тока прекращается, напряжение на базе ключа становится равным начальному, коллекторный ток ключа резко уменьшается, что приводит к изменению полярности на обмотках трансформатора, в том числе появляется минус на выводе обмотки обратной связи, подключенной к базе ключа, ключ закрывается, диоды импульсных выпрямителей открываются и энергия, накопленная трансформатором, через диоды переходит в разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей. Так как конденсаторы представляют собой в этот момент короткое замыкание, то энергия трансформатора убывает очень быстро. После нескольких циклов заряда конденсаторов автогенератор переходит в нормальный режим и больше схема запуска не используется. Во многих импортных ИБП цепь запуска не отключается, что иногда приводит к выходу из строя ключа при неисправности одного из вторичных выпрямителей, если не применяется схема защиты от короткого замыкания.

В отечественных телевизорах применяются несколько схем запуска ИБП. Одна из них – генератор, собранный на однопереходном транзисторе КТ117. В течение некоторого времени, задаваемого схемой и достаточного для надежного запуска автогенератора, генератор на КТ117 генерирует импульсы, которые подаются на базу ключа как начальное смещение и вызывают запуск цикла работы автогенератора. Если неисправность отсутствует, то конденсаторы фильтров заряжаются и автогенератор входит в нормальный режим. Иначе схема запуска отключится и ИБП не запустится.

Схемы управления.

На схемы управления возлагается функция отслеживания уровня выходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственного управления ключом. Обычно схема управления представляет собой схему сравнения реального выходного напряжения и образцового, выработанный сигнал ошибки подается на исполнительную схему, управляющую непосредственно ключевым транзистором (см. рис. 5).

Рис. 5

Несмотря на кажущуюся сложность функциональной схемы устройства управления сама схема не сложна и работа ее для понимания труда не представляет.

Схема управления питается от одной из обмоток трансформатора, поэтому напряжение питания на ней всегда соответствует напряжению на других обмотках, т.е. реальному. Пока автогенератор не вошел в нормальный режим, напряжение питания мало и транзистор закрыт. По мере увеличения напряжения питания на стабилитроне появляется образцовое напряжение и затем транзистор начинает открываться. В рабочем режиме на выходе присутствует положительное напряжение, которое подается на исполнительную схему. Понятно, что при изменении реального напряжения напряжение, подаваемое на исполнительное устройство, также будет изменяться, изменяя условия работы исполнительного устройства. Исполнительное устройство представляет собой либо ключевую схему, срабатывающую при достижении импульсом тока коллектора силового ключа определенной величины, либо схему, шунтирующую переход база-эмиттер того же силового ключа при достижении определенного уровня напряжения на базе.

Рис. 6

На рис. 6 приведены эпюры, поясняющие работу устройства управления при ШИМ-модуляции. По ним видно, как изменение реального напряжения и вместе с ним сигнала ошибки влияет на ширину импульса, вырабатываемого ключевым транзистором. Меандр Uзг – работа автогенератора без управления. При работе с управлением напряжение ошибки Uош воздействует на исполнительное устройство совместно с напряжением обратной связи Uп, меняя порог его срабатывания. В результате при изменении тока нагрузки изменяется ширина импульсов, вырабатываемых ключевым транзистором.

Схемы защиты.

Сложность того или иного ИБП зависит, в основном, от примененных схем защиты. В дешевых моделях ИБП используются простейшие виды защит. Вообще защитные устройства можно разделить на следующие типы по функциям: защитные устройства всего ИБП, сетевого выпрямителя, от большого напряжения сети, от малого напряжения сети, от перегрузки (короткого замыкания), от холостого хода и так далее. По сложности исполнения их можно разделить на простые (предохранители, защитные резисторы), среднего уровня сложности и большой сложности. В ИБП может быть применено сразу несколько типов защит, различной степени сложности. Однако, несмотря на то, что встраивание сложных защит мотивируется благими целями, увеличение сложности устройств в результате оборачивается уменьшением их надежности, так как увеличивается число элементов схем, ухудшением ремонтопригодности и, значит, увеличением стоимости ремонта. А так как защиты встраиваются непосредственно в ИБП, то и выход из строя элементов защиты также приводят к выходу из строя и элементы самого ИБП.

Простейшим защитным элементом является предохранитель. В любом устройстве он ставится на входе питания сетевым напряжением. Предохранитель является инерционным элементом, поэтому он не защищает ни ключевой транзистор ИБП, ни его элементы. Назначение предохранителя – защита диодов выпрямителя при пробое ключа или конденсатора сетевого фильтра, а также размагничивающего устройства при неисправности позистора.

Следующий защитный элемент – защитный резистор, который выполняет две функции. Первая – ограничивает мгновенный ток через схему, на входе которой он стоит. И вторая – выполняет функции предохранителя. Как и предохранитель защитный резистор – инерционный элемент. Он перегорает по факту превышения среднего тока через него. Если защитный резистор стоит в сетевой части ИБП, то он защищает сетевой выпрямитель при пробитом ключе или конденсаторе сетевого фильтра, если он стоит перед выпрямительными диодами вторичных выпрямителей, то защищает весь ИБП от перегрузки.

Часто во вторичных выпрямителях применяют защитные диоды. На схемах они обозначаются как стабилитроны, но это не так. Когда на защитном диоде напряжение меньше порога срабатывания, он не потребляет тока и не мешает работе. При появлении на таком «стабилитроне» напряжения, на которое он рассчитан (например, R2M, который ставится для защиты выходного каскада строчной развертки, рассчитан на 150 В), «стабилитрон» пробивается, становится коротким замыканием для ИБП, который выключается. ИБП, в котором применяются такие «стабилитроны», должны иметь защиту от перегрузок. А напряжение на защитном диоде может повыситься из-за резких скачков сетевого напряжения, мощной импульсной помехи в сети, неисправности самого ИБП. Таким образом, защитный диод защищает устройства, стоящие в данной цепи питания, например, выходной каскад строчной развертки. Защитный диод не восстанавливается и после срабатывания подлежит замене, но ни в коем случае не на обычный стабилитрон!

Остальные устройства защиты представляют собой схемы, состоящие из нескольких элементов и интегрированы со схемой ИБП. Такие устройства могут быть с внутренним управлением, отслеживающие состояние ИБП и управляющие им и с внешним управлением, следящими за состоянием цепей вторичных источников питания и даже исправность всего устройства в целом, например, телевизора. Чем больше применено таких защитных устройств, тем сложнее ремонт. Иногда приходится изобретать способы запуска ИБП, выключенного каким-либо защитным устройством, отключать защиту, прибегать к различным уловкам, чтобы найти неисправность.

Ну что? Очень сложно? Если вы хоть что-то поняли, переходите во вторую главу статьи, где мы разберем конкретные схемы ИБП.

Начало документа

<<< Назад Титульный Глава 2 >>>

ККВ Страница создана 17.02.2004 г.