Pulzní napájecí zdroje – Radioham

Spínaný zdroj (UPS) je navržen tak, aby převáděl vstupní napětí na jiné, které má jednu nebo více hodnot. Důležité komponenty včetně výkonových prvků fungují v režimu klíče. Invertor je zdroj energie, který využívá metodu dvojité konverze střídavého napětí. Výstupní parametry UPS jsou dimenzovány změnou doby trvání pulzu a v některých případech i jejich frekvence. Tento proces se nazývá pulzně šířková modulace.

Pokud je vstupní napětí střídavé např. z elektrické sítě, musí být nejprve usměrněno, poté vyhlazeno pomocí filtru a následně převedeno pomocí měniče na sekvenci vysokofrekvenčních impulsů. Tato vlastnost odlišuje spínaný napájecí zdroj od lineárního napájecího zdroje. Vstupní a výstupní napětí je regulováno pomocí signálu se zápornou zpětnou vazbou, což umožňuje řídit parametry impulsů přiváděných do výkonových tranzistorů. Moderní UPS nemají snižovací síťový transformátor, díky čemuž jsou kompaktnější a efektivnější.

Hlavní část

V elektrických sítích má napětí sinusový tvar řádově 50 Hz nebo 60 Hz. Některá zařízení vyžadují tuto formu, zatímco jiná vyžadují konstantní napětí. Zde přichází na řadu funkce spínaných zdrojů (UPS). Název „spínaný zdroj“ neodkazuje na tvar výstupního napětí, ale na převodní stupně, které vytvářejí impulsy, které je třeba usměrňovat a vyhlazovat.

Existují dva typy spínaných zdrojů: s galvanickým oddělením a bez galvanického oddělení.

Galvanicky izolované napájecí zdroje používají vysokofrekvenční impulsy, které jsou posílány do transformátoru, aby zajistily izolaci elektrického obvodu. Zařízení tohoto typu mají relativně malé feritové jádro, které se vyznačuje vysokým výkonem při pracovních frekvencích. Obvykle jsou jádra transformátorů vyrobena z různých druhů feritů spíše než z elektrické oceli, což umožňuje vytvoření kompaktnějších prvků napájení.

Spínaný zdroj připojený k síti obsahuje usměrňovač síťového napětí, vyhlazovací filtr, generátor impulzů a tvarovač impulzů s nastavitelnou dobou trvání, dále dvoustupňový nebo jednostupňový zesilovač výkonu, výstupní usměrňovače a stabilizaci výstupního napětí. obvod. U spínaných zdrojů vytvořených pomocí algoritmů bez použití galvanického oddělení není vysokofrekvenční transformátor a signál je posílán přímo do dolní propusti. Pulsně šířkově modulované (PWM) signály jsou aplikovány na řídicí tranzistory, které jsou obvykle zapojeny v konfiguraci můstku nebo polovičního můstku. Jako ovládací prvky se používají především tranzistory IGBT nebo MOSFET, vyznačující se nízkým napětím na otevřených přechodech a vysokou rychlostí spínání. Tyto tranzistory rozptylují spínací výkon efektivněji než bipolární tranzistory podobné velikosti a vlastností. Klasické a výstupní pulsní transformátory pracují na stejném principu, ale při provozu na vyšších frekvencích mají menší rozměry.

Napětí přicházející ze sekundárních vinutí je směrováno do výstupních usměrňovačů. Tyto diody musí podporovat vyšší pracovní frekvence než vstupní usměrňovač. V tomto případě jsou Schottkyho diody nejlepší volbou kvůli jejich vysoké pracovní frekvenci, nízkému úbytku napětí a malé kapacitě pn přechodu. Nejčastěji se místo tradičních transformátorů s polovodičovými stabilizátory používají pulzní měniče napětí. Jsou lehké a kompaktní, vysoce spolehlivé a účinné a mohou pracovat v širokém rozsahu vstupního napětí. Pro zvýšení účinnosti spínaného zdroje je nutné minimalizovat vliv parazitních prvků. Neschopnost dosáhnout téměř 100% účinnosti je často způsobena přítomností těchto nežádoucích prvků a vlastnostmi jednotlivých komponent. Během procesu návrhu je důležité najít správnou rovnováhu mezi účinností napájení a cenou.

Invertorové měniče se používají v počítačovém vybavení, poplašných systémech, nepřerušitelných zdrojích napájení, spotřební elektronice a video dohledu. Je důležité vzít v úvahu, že parazitní prvky mohou nejen snížit účinnost, ale také vykonávat užitečné funkce v obvodu. Například, když dojde ke zkratu na výstupu měniče, parazitní prvek může obsahovat zkratový proud. Vliv parazitických složek se tedy může lišit od pozitivního k negativnímu a stejná část se může chovat za různých podmínek odlišně.

Výhody UPS:

• kompaktní velikost;
• nízká hmotnost;
• vysoká účinnost, protože k hlavním ztrátám energie dochází na výkonových spínačích;
• široký rozsah vstupního napětí;
• nízká cena díky univerzálním součástkám a automatizované výrobě, která snižuje náklady díky méně výkonným polovodičům;
• Účinnost UPS dosahuje asi 97 %.

Nevýhody UPS:

• omezení výkonu, které znesnadňuje práci při určité zátěži;
• vysokofrekvenční rušení, ke kterému dochází během provozu;
• nutnost filtrování rušení.

Struktura spínaného zdroje

Podívejme se, jak funguje nepříliš složitý spínaný zdroj v nejběžnější konfiguraci:

• bezpečnostní prvky;
• filtr pro potlačení šumu;
• diodový usměrňovač;
• vyhlazovací filtr;
• PWM (modulátor šířky pulzu);
• blok klíčových tranzistorů napájení;
• vysokofrekvenční transformátor;
• Zpětná vazba;
• usměrňovače;
• skupinové/individuální filtry.

Úkol šumový filtr je eliminovat rušení vznikající ze samotného napájecího zdroje. Časté používání vysoce výkonných polovodičových prvků může vést ke vzniku krátkodobých pulzů, které jsou pozorovány v širokém frekvenčním rozsahu. Pro minimalizaci jejich dopadu na výstupní signál se používají speciální řetězce propustných kondenzátorů, které fungují jako filtry pro tyto impulsy.

Hlavní funkcí diodového usměrňovače je převádět vstupní střídavé napětí na výstupní stejnosměrné napětí. Parazitní oscilace, které se mohou objevit, jsou vyhlazeny filtrem nainstalovaným v obvodu.

Pokud spínaný zdroj obsahuje DC-DC měnič, pak bude použití řetězce usměrňovače a filtru nadbytečné, protože vstupní signál bude vyhlazený již na stupni šumového filtru.

Modulátor šířky pulzu (PWM) představuje nejsložitější prvek v zařízení. Plní řadu funkcí: vytváří vysokofrekvenční pulsy v rozsahu od kilohertzů do několika set kilohertzů;
na základě dat zpětnovazebního signálu přizpůsobuje parametry sekvence výstupních impulsů;
chrání obvod před přetížením.

Pulsy PWM jsou aplikovány na vysoce výkonné spínací tranzistory, obvykle implementované v můstkových nebo polomůstkových obvodech. Výstupy těchto tranzistorů jsou připojeny k primárnímu vinutí transformátoru. Jako součástky jsou použity tranzistory MOSFET nebo IGBT, které se od bipolárních analogů liší méně výrazným snížením napětí na přechodu a vyšší rychlostí. To umožňuje snížit parametry ztrátového výkonu bez změny rozměrů zařízení.

Princip činnosti pulzní transformátor podobně jako tradiční transformátory fungují v napájecích zdrojích. Klíčový rozdíl je však v tom, že pulzní transformátor pracuje na výrazně vyšších frekvencích. To umožňuje snížit hmotnost i rozměry zařízení při stejné úrovni výstupního výkonu.

Impuls přijatý ze sekundárního vinutí transformátoru (všimněte si, že jich může být několik) je přiváděn do výstupních usměrňovačů. Na rozdíl od podobných prvků na vstupu bloku zde musí být diody navrženy pro provoz s vysokými frekvencemi. Schottkyho diody se s tímto úkolem optimálně vypořádají díky své konstrukci, která zajišťuje nízkou kapacitu přechodu pn a minimální úbytek napětí i při vysokých frekvencích.

Výstupní filtr — určené k vyhlazení vlnění po usměrnění napětí. V podmínkách vysokofrekvenčních pulzů není potřeba používat výkonné kondenzátory a cívky.

Zásady konstrukce spínaných zdrojů

1. Obvod nejjednoduššího a velmi rozšířeného snižujícího měniče (stabilizátoru napětí s PWM). Používá se ke snížení napětí. V praxi se používají snižovací měniče napětí z 24 voltů na 12 voltů, například ve vozidlech, kde palubní síť není 12 voltů jako u automobilů, ale je potřeba připojit klasické rádio, nabíječku, navigátor atp. Klávesa je ovládána pulzy s proměnnou délkou trvání. Energie pulsu se akumuluje v induktoru a poté po zavření klíče plynule nabíjí kondenzátor. Napětí na kondenzátoru je monitorováno zpětnou vazbou. Výstupní napětí je udržováno na dané úrovni změnou doby trvání odemykacích impulsů klíče. Obvod se používá v základních deskách počítačů. V různých rozšiřujících kartách, například v grafických kartách. Minimální ztráty, maximální proud.
2. Obvod nejjednoduššího zesilovacího měniče je podobný obvodu 1, pouze princip činnosti je založen na zvýšení napětí. Používá se v některých předřadnících k zahájení výboje v plynném prostředí.
3. Obvod nejjednoduššího snižujícího měniče je podobný obvodu 1, ale umožňuje získat záporné napětí z kladného.
4. Jednostranný obvod zpětného měniče. V minulosti se nejčastěji používal v nízkoenergetických zdrojích, jako jsou nabíječky telefonů. Nyní nahrazeny specializovanými mikroobvody. Během otevřeného stavu spínače (dopředný chod) se energie ukládá v jádru transformátoru. Když je spínač sepnutý (reverzní), uložená energie se přenese do výstupního kondenzátoru. Proto se tomu říká „flyback“. Negativní vlastností, kromě nízké účinnosti, je jednostranná magnetizace jádra transformátoru. Vynutí mezeru. Stejně jako vysokonapěťové rázy na primárním vinutí transformátoru, když není zátěž. Vyžadují vysokonapěťové tranzistory a tlumicí obvody paralelně k transformátoru.
5. Schéma dopředného převodníku s jedním koncem. Na rozdíl od flybacku se energie v něm přenáší v okamžiku, kdy je klíč otevřen (vpřed). V tomto případě nejde veškerá energie přímo do zátěže, ale část je uložena ve výstupní tlumivce. A plně nabíjí výstupní kondenzátor při sepnutém klíčku, což je podobné jako u obvodu 1. V obvodu 5 je do transformátoru vloženo třetí vinutí (může chybět). Jedná se o rekuperační vinutí. Obvykle obsahuje stejný počet závitů jako primární vinutí. Umožňuje vrátit část energie z transformátoru do zdroje proudu. Zabraňuje přepětí vysokého napětí a chrání klíč před poruchou. Také demagnetizuje jádro a zabraňuje nasycení. Tento obvod lze nalézt ve svařovacím stroji zvaném „pevný“ a ve zdroji středního výkonu pro napájení například malých LCD televizorů.
6. Schéma dopředného jednokoncového měniče se dvěma spínači a bez třetího vinutí. Klíče se otevírají a zavírají synchronně! Tato obvodová konstrukce umožnila zbavit se vysokonapěťových emisí a umožnila použití relativně nízkonapěťových spínačů. Tento obvod se také nazývá „šikmý můstek“ a díky své jednoduchosti a spolehlivosti se často používá v levných svařovacích invertorech. A také výrazně nižší náklady na klíče. V převodníku flyback lze také použít šikmý můstek. Měniče se budou lišit pouze fázováním zapojení sekundárního vinutí a principem akumulace energie. (ne v induktoru, ale v transformátoru) a podle toho i v jiné výstupní části.
7. Obvod push-pull polomůstkového pulzního měniče. Používá se téměř ve všech počítačových zdrojích a ve svařovacích invertorech střední ceny. Velmi spolehlivý a má dobrou účinnost. Princip činnosti je téměř stejný jako u běžného síťového transformátoru, pouze pulsy jsou obdélníkové a frekvence je několik desítek kilohertzů.
8. Schéma zapojení pulsního měniče s plným můstkem. Vyznačuje se maximálním využitím všech možností transformátoru. Klávesy fungují v párech jako dva spojené šikmé mosty. Používá se v drahých a výkonných svařovacích invertorech.

Existuje ještě jedno zajímavé řešení. Takzvaný Sepik:

Jak vidíte, na rozdíl od chopperu má oddělovací kondenzátor a přídavný. plynu. Škrtící klapky lze dokonce kombinovat. Obvod se nebojí zkratu na výstupu.

Prohozením L2 a D1 můžete získat záporné napětí na výstupu.

Tento obvod se také nazývá převodník Chuka.

No a když spojíme oba okruhy, dostaneme bipolární zdroj!

Pouze jeden klíč a ochrana proti zkratu!

Závěr

Moderní svět si bez použití spínaných zdrojů nelze představit a jejich obliba každým rokem jen roste. V dnešní době je stále obtížnější najít spotřebič nebo zdroj energie, který využívá starší elektrické transformátory s ocelovým jádrem. Spínané zdroje předčí transformátorové v parametrech jako je bezpečnost, velikost a schopnost regulace proudu. Používají se v nabíječkách mobilních telefonů, notebooků a baterií, dále v nepřerušitelných zdrojích napájení, zesilovačích, rádiích a monitorech. Spínané zdroje lze považovat za jeden z největších úspěchů v oblasti elektroniky. Máme článek o zdrojích lineárního transformátoru.

Pulzní napájecí zdroje jsou invertorový systém. Střídavé napětí přicházející na vstup je nejprve usměrněno a transformováno na stejnosměrné napětí. Hodnota napětí je udržována na stabilní úrovni díky negativní zpětné vazbě a nezávisí na přepětí na vstupu ani na hodnotě výkonu zátěže.

Pulzní napájecí zdroje jsou invertorový systém. Střídavé napětí přiváděné na vstup je nejprve usměrněno a transformováno na stejnosměrné napětí. Hodnota napětí je udržována na stabilní úrovni díky negativní zpětné vazbě a nezávisí na přepětí na vstupu a hodnotě výkonu zátěže. Zpětnou vazbu lze realizovat pomocí jednoho vinutí transformátoru nebo připojením optočlenu. Konstantní hodnota napětí na výstupu je převedena na obdélníkové vysokofrekvenční impulsy s nastaveným pracovním cyklem, které jsou nejčastěji odesílány do pulzního transformátoru nebo optočlenu, pokud je zajištěno galvanické oddělení od sítě. Pokud galvanické oddělení zajištěno není, použije se odporový dělič napětí. V každém případě je výstupní napětí udržováno na stabilní úrovni. Pulzní napájecí zdroj je navíc složité a užitečné zařízení, které díky svému účelu řeší mnoho problémů.

Výhody a nevýhody spínaných napájecích zdrojů

• nízká hmotnost, protože pro vysoké frekvence je přípustné použít transformátory malých rozměrů, ale se stejnou hodnotou výkonu.
• kompaktní rozměry;
• vysoká hodnota výkonu;
• vysoká účinnost – až 98 %, čehož je dosaženo snížením ztrát; hlavní ztráty přímo závisí na přechodových procesech při přepínání klíče a protože klíč je po většinu času ve stabilním stavu (zapnutý nebo vypnutý), je hodnota ztráty velmi malá;
• nízká cena, což je možné díky hromadné výrobě prvků obsažených ve zdrojích pulzního napětí a vývoji vysoce výkonných tranzistorů; pulzní transformátory jsou mnohem levnější, ale hodnota přenášeného výkonu se nemění;
• vysoká úroveň spolehlivého provozu;
• široký rozsah napájecího napětí;
• velký výběr hotových výrobků.

ВDůležité! Napájecí zdroje pracují s určitým zatížením, které nemůže být nižší než minimum, protože v tomto případě buď zdroj nebude fungovat, nebo hodnoty výstupních parametrů nebudou odpovídat zadaným.

Proč se vyplatí koupit napájecí zdroj a k čemu slouží

Nejdůležitější úkoly spínaných napájecích zdrojů jsou:

• Přeprava energie. Zdroj energie musí přenášet nastavenou hodnotu výkonu s minimálními ztrátami. Proto při nákupu zdroje volte zařízení s mírně vyšší hodnotou výkonu.
• Změna tvaru vlny napětí. Zdroj dokáže převádět střídavé napětí na stejnosměrné a naopak.
• Změna hodnoty napětíZdroje mohou zvyšovat nebo snižovat napětí.
• Svatýabilizace. Na výstupu musí být všechny parametry v rámci stanovených limitů. Nejoblíbenějším parametrem pro stabilizaci je napětí, méně často proud.
• Ochrana.V případě nehody, poruchy nebo zkratu by žádný parametr neměl překročit maximální hodnotu, aby nedošlo k poškození zařízení.
• Nastavení. Někdy je při provozu zařízení nutné upravit určité parametry, aby byl zajištěn stabilní provoz zařízení.
• Řízení. Nezbytné pro ovládání nastavení. Rozlišujte mezi dálkovým, přímým a softwarovým ovládáním.
• Ovládání. Zobrazení všech vstupních a výstupních parametrů. Rozlišování mezi přímým a dálkovým.

Naše společnost prodává pulzní napájecí zdroje v Moskvě a také s dodáním do regionů. Nabízíme pouze vysoce kvalitní produkty od spolehlivých výrobců za dostupnou cenovou relaci. Každý produkt je dodáván s tovární zárukou.