Принципова схема цього приладів

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою джерел живлення постійного струму, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Імпульсне джерело живлення

Лінійні регулятори напруги на інтегральних схемах протягом багатьох років були основою конструкцій джерел живлення, оскільки вони дуже добре забезпечують постійну фіксовану вихідну напругу.

Для спеціального імпульсного джерела живлення лінійні стабілізатори напруги, як правило, набагато ефективніші і простіші у використанні, ніж еквівалентні схеми стабілізатора напруги, що складаються з дискретних компонентів, таких як стабілітрон і резистор, або транзисторів і навіть операційних підсилювачів.

Найбільш популярними типами лінійних та фіксованих регуляторів вихідної напруги на сьогоднішній день є серії 78… з позитивною вихідною напругою та серії 79… з негативною вихідною напругою. Ці два типи стабілізаторів напруги, що доповнюють один одного, забезпечують точну і стабільну вихідну напругу в діапазоні від приблизно 5 до 24 вольт для використання в багатьох електронних схемах.

Існує широкий асортимент цих триконтактних стабілізаторів напруги з фіксованою напругою, кожен із яких має власні вбудовані схеми регулювання напруги та обмеження струму. Це дозволяє нам створювати цілу низку різних шин і виходів живлення, як з одинарним, так і з подвійним харчуванням, що підходять для більшості електронних схем та додатків.

Доступні навіть лінійні регулятори змінної напруги, що забезпечують вихідну напругу, яка постійно змінюється від трохи вище за нуль до декількох вольт нижче максимальної вихідної напруги.

Більшість джерел живлення постійного струму складаються з великого і важкого понижуючого мережевого трансформатора, діодного випрямлення, двопівперіодного або напівхвильового, і схеми фільтра для видалення будь-яких пульсацій з постійного випрямленого струму для отримання досить плавної вихідної напруги постійного струму.

Крім того, для забезпечення правильного регулювання вихідної напруги джерела живлення в різних умовах навантаження можна використовувати схему стабілізатора або стабілізатора напруги тієї чи іншої форми, як лінійну, так і перемикає. Тоді типове джерело живлення постійного струму виглядатиме приблизно так:

Типичный источник питания постоянного тока 

Ці типові конструкції блоків живлення містять великий мережевий трансформатор (який також забезпечує ізоляцію між входом та виходом) та схему послідовного стабілізатора. Схема регулятора може складатися з одного стабілітрона або трививідного лінійного послідовного стабілізатора для створення необхідної вихідної напруги. Перевага лінійного стабілізатора полягає в тому, що для встановлення вихідної напруги в ланцюзі живлення потрібні тільки вхідний конденсатор, вихідний конденсатор та кілька резисторів зворотного зв'язку.

Лінійні регулятори напруги створюють регульований вихід постійного струму, поміщаючи постійно проводить транзистор послідовно між входом і виходом, керуючи ним в лінійній області (звідси і назва) його вольт-амперних (i-v) характеристик.

Таким чином, транзистор діє швидше як змінний опір, який постійно підлаштовується під будь-яке значення, необхідне підтримки правильної вихідної напруги. Розглянемо цю просту схему стабілізатора послідовного транзистора нижче:

Схема послідовного транзисторного регулятора

Тут ця проста схема стабілізатора емітер-повторювач складається з одного NPN-транзистора та напруги зміщення постійного струму для встановлення необхідної вихідної напруги. Оскільки схема емітерного повторювача має одиничний коефіцієнт посилення по напрузі, при подачі відповідної напруги зміщення на базу транзистора на виведенні емітера виходить стабілізований вихідний сигнал.

Оскільки транзистор забезпечує посилення струму, вихідний струм навантаження буде набагато вище, ніж струм бази, і ще вище, якщо використовується транзисторна схема Дарлінгтона.

Крім того, за умови, що вхідна напруга досить велика для отримання бажаної вихідної напруги, вихідна напруга контролюється напругою бази транзистора і в цьому прикладі задається як 5,7, щоб забезпечити вихідну напругу 5 на навантаженні, рівне приблизно 0,7 В. падає на транзистор між висновками бази та емітера. Тоді в залежності від значення напруги бази можна отримати будь-яке значення вихідної напруги емітера.

Хоча ця проста схема послідовного стабілізатора буде працювати, її недоліком є ​​те, що послідовний транзистор постійно зміщується у своїй лінійній ділянці, розсіюючи потужність у вигляді тепла. Оскільки весь струм навантаження повинен проходити через послідовний транзистор, це призводить до низької ефективності, втрати потужності V*I та постійного виділення тепла навколо транзистора.

Крім того, одним із недоліків послідовних стабілізаторів напруги є те, що їх максимальний безперервний вихідний струм обмежений всього кількома амперами або близько того, тому вони зазвичай використовуються в додатках, де потрібна низька вихідна потужність.

Коли потрібна вища вихідна напруга або споживана потужність, звичайною практикою є використання імпульсного стабілізатора, зазвичай відомого як імпульсне джерело живлення, для перетворення мережевої напруги в будь-яку необхідну вищу вихідну потужність.

Імпульсні джерела живлення, або SMPS, стають звичайним явищем і в більшості випадків замінюють традиційні лінійні джерела живлення змінного струму в постійний спосіб зниження енергоспоживання, зменшення тепловиділення, а також розміру і ваги.

Імпульсні джерела живлення тепер можна знайти в більшості ПК, підсилювачах потужності, телевізорах, приводах двигунів постійного струму і т. д., а також практично в усьому, що вимагає високоефективного джерела живлення, оскільки імпульсні джерела живлення стають дедалі зрілішою технологією.

За визначенням, імпульсне джерело живлення (SMPS) – це тип джерела живлення, в якому для забезпечення необхідної вихідної напруги використовуються напівпровідникові методи перемикання, а не стандартні лінійні методи. Базовий імпульсний перетворювач складається із силового перемикаючого каскаду та схеми управління.

Стадія перемикання потужності виконує перетворення потужності із вхідної напруги схеми VIN у вихідну напругу VOUT, яка включає вихідну фільтрацію.

Основною перевагою імпульсного джерела живлення є його вищий ККД у порівнянні зі стандартними лінійними стабілізаторами, і це досягається за рахунок внутрішнього перемикання транзистора (або силового МОП-транзистора) між його станом «ВКЛ» (насичене) та станом «ВИМК» (відсікання), обидва з яких забезпечують меншу потужність, що розсіюється.

Це означає, що коли перемикаючий транзистор повністю «ВКЛ» і проводить струм, падіння напруги на ньому знаходиться на мінімальному значенні, а коли транзистор повністю «ВИМК» струм через нього не протікає. Таким чином, транзистор діє як ідеальний перемикач ВКЛ/ВИМК.

На відміну від лінійних стабілізаторів, які забезпечують тільки понижувальне регулювання напруги, імпульсне джерело живлення може забезпечувати зниження, підвищення і заперечення вхідної напруги, використовуючи одну або кілька з трьох основних топологій схеми режиму, що перемикається: знижувальну, підвищує і знижувальну. -Сприяти зростанню. Ці назви відносяться до того, як транзисторний ключ, котушка індуктивності і конденсатор, що згладжує, з'єднані разом у базовій схемі ІІП.

Джерело живлення з перемикачем режиму пониження

Цей імпульсний стабілізатор являє собою тип схеми імпульсного джерела живлення, яка призначена для ефективного зниження напруги постійного струму з більш високої напруги на нижчу, тобто віднімає або «знижує» напругу живлення, тим самим зменшуючи напругу, доступну на виході. клеми без зміни полярності. Іншими словами, понижуючий імпульсний стабілізатор являє собою схему понижуючого регулятора, тому, наприклад, понижувальний перетворювач може перетворювати, скажімо, +12 В +5 В.

Знижувальний імпульсний стабілізатор є перетворювачем постійного струму в постійний і один з найпростіших і найпопулярніших типів імпульсних стабілізаторів. При використанні в конфігурації імпульсного джерела живлення понижувальний імпульсний стабілізатор використовує послідовний транзистор або силовий МОП-транзистор (в ідеалі біполярний транзистор із ізольованим затвором або IGBT) як основний перемикач, як показано нижче.

Знижувальний імпульсний регулятор

Ця зворотна напруга викликає пряме усунення діода, тому накопичена енергія в магнітному полі індуктора змушує струм продовжувати текти через навантаження в тому ж напрямку і повертатися назад через діод.

Потім індуктор L1 повертає свою накопичену енергію назад у навантаження, діючи як джерело і забезпечуючи струм доти, поки вся енергія індуктора не повернеться в ланцюг або поки транзисторний ключ знову не закриється, залежно від того, що настане раніше. При цьому конденсатор також розряджається, живлячи струм навантаження. Комбінація котушки індуктивності та конденсатора утворює LC-фільтр, що згладжує будь-які пульсації, створювані перемиканням транзистора.

Отже, коли транзисторний ключ твердотілий закритий, струм подається від джерела живлення, а коли транзисторний ключ відкритий, струм подається через дросель. Зверніть увагу, що струм, що тече через дросель, завжди має той самий напрямок, або безпосередньо від джерела живлення, або через діод, але, очевидно, в різні моменти циклу перемикання.

Оскільки транзисторний ключ постійно закривається і розмикається, середнє значення вихідної напруги залежатиме від робочого циклу D, який визначається час проведення транзисторного ключа протягом одного повного циклу перемикання.

Якщо VIN - напруга живлення, а часи "ВКЛ" і "ВИМК" транзисторного ключа визначені як: tON і tOFF, то вихідна напруга VOUT визначається як:

Робочий цикл знижувального перетворювача

Робочий цикл знижувальних перетворювачів також можна визначити як:

Таким чином, що більший робочий цикл, то вище середня вихідна напруга постійного струму імпульсного джерела живлення. Звідси ми також можемо бачити, що вихідна напруга завжди буде нижчою за вхідну напругу, оскільки робочий цикл D ніколи не може досягти одиниці (одиниці), що призводить до понижуючого регулятора напруги.

Регулювання напруги досягається за рахунок зміни робочого циклу, а при високих швидкостях перемикання до 200 кГц можна використовувати компоненти меншого розміру, що значно зменшує розмір і вагу імпульсного джерела живлення.

Ще однією перевагою понижуючого перетворювача є те, що конструкція дросель-конденсатор (LC) забезпечує дуже хорошу фільтрацію струму дроселя. В ідеалі знижуючий перетворювач повинен працювати в режимі безперервного перемикання, щоб струм дроселя ніколи не падав до нуля. З ідеальними компонентами, тобто з нульовим падінням напруги і втратами перемикання в стані «ВКЛ», ідеальний перетворювач може мати ККД до 100%.

Крім понижуючого імпульсного стабілізатора для базової конструкції імпульсного джерела живлення існує ще один принцип дії основного імпульсного стабілізатора, який діє як підвищує стабілізатор напруги, званий підвищує перетворювачем.

Блок живлення з імпульсним режимом Boost

Імпульсний стабілізатор Boost це ще один тип схеми імпульсного джерела живлення. Він має ті ж типи компонентів, що і попередній знижуючий перетворювач, але цього разу в іншому положенні. Підвищуючий перетворювач призначений для підвищення напруги постійного струму від нижчого до більш високого, тобто він також додає або підвищує напругу живлення, тим самим збільшуючи доступну напругу на вихідних клемах без зміни полярності. Іншими словами, що підвищує імпульсний регулятор являє собою схему підвищує регулятора, тому, наприклад, підвищує перетворювач може перетворювати, скажімо, +5 В +12 В.

Раніше ми бачили, що в базовій конструкції знижувального імпульсного стабілізатора використовується послідовний перемикаючий транзистор. Відмінність від конструкції імпульсного стабілізатора підвищення полягає в тому, що він використовує паралельно включений транзистор, що перемикає, для управління вихідною напругою імпульсного джерела живлення.

Оскільки транзисторний перемикач фактично підключений паралельно виходу, електрична енергія проходить через дросель до навантаження тільки тоді, коли транзистор зміщений положення «ВИМК» (перемикач розімкнуто), як показано на малюнку.

Підвищує імпульсний регулятор

У схемі підвищуючого перетворювача, коли транзисторний ключ повністю включений, електрична енергія джерела живлення VIN проходить через дросель і транзисторний ключ і повертається в джерело живлення. Внаслідок цього нічого з цього не надходить на вихід, оскільки насичений транзисторний ключ фактично створює коротке замикання на виході.

Це збільшує струм, що протікає через індуктор, оскільки він має коротший внутрішній шлях зворотного шляху до джерела живлення. У той же час діод D1 стає зворотнозміщеним, оскільки його анод підключається до землі через транзисторний ключ, при цьому рівень напруги на виході практично залишається постійним, коли конденсатор починає розряджатися через навантаження.

Коли транзистор повністю вимкнено, вхідне джерело живлення тепер підключено до виходу через послідовно з'єднані дросель та діод. Коли зменшується поле індуктора, індукована енергія, запасена в індукторі, передається на вихід через VIN через діод, тепер зміщений в прямому напрямку.

Результатом цього є те, що індукована напруга на дроселі L1 змінюється на протилежне і додається до напруги вхідного джерела живлення, збільшуючи загальну вихідну напругу, яка тепер стає VIN + VL.

Струм від конденсатора, що згладжує C1, який використовувався для живлення навантаження, коли транзисторний ключ був закритий, тепер повертається в конденсатор через вхідне джерело живлення через діод. Тоді струм, що подається на конденсатор, є струмом діода, який завжди буде «ВКЛ» або «ВИМК», оскільки діод постійно перемикається між своїм прямим і зворотним станом під дією транзистора, що перемикає. Тоді конденсатор, що згладжує, повинен бути досить великим, щоб забезпечити плавний стійкий вихідний сигнал.

Оскільки індукована напруга на дроселі L1 негативна, вона додається до напруги джерела, VIN змушує струм дроселя надходити в навантаження. Стаціонарна вихідна напруга підвищують перетворювачів визначається виразом:

Як і у випадку з попереднім понижувальним перетворювачем, вихідна напруга перетворювача, що підвищує, залежить від вхідної напруги і робочого циклу. Таким чином, за рахунок керування робочим циклом досягається регулювання вихідної потужності. Крім того, це рівняння не залежить від номіналу котушки індуктивності, струму навантаження та вихідного конденсатора.

Вище ми бачили, що в базовій роботі схеми неізольованого імпульсного джерела живлення може використовуватися конфігурація або понижуючого перетворювача, або підвищує перетворювача, залежно від того, чи потрібно нам знижувальне (знижувальне) або підвищує (підвищує) вихідну напругу. У той час як понижуючі перетворювачі можуть бути більш поширеною комутаційною конфігурацією SMPS, що підвищують перетворювачі зазвичай використовуються в пристроях з ємнісними ланцюгами, таких як зарядні пристрої акумуляторів, фотоспалахи, стробоскопи і т. д., оскільки конденсатор подає весь струм навантаження.

Але ми також можемо об'єднати ці дві базові топології перемикання в одну неізолюючу схему імпульсного стабілізатора, яка, що не дивно, називається перетворювачем, що знижує-підвищує.

Знижувально-підвищуючий імпульсний регулятор

Імпульсний стабілізатор Buck-Boost являє собою комбінацію понижуючого і підвищує перетворювачів, яка створює інвертовану (негативну) вихідну напругу, яка може бути більшою або меншою за вхідну напругу залежно від робочого циклу. Підвищувально-знижувальний перетворювач являє собою різновид схеми перетворювача, що підвищує, в якій інвертуючий перетворювач передає в навантаження тільки енергію, накопичену дроселем L1. Базова схема імпульсного джерела живлення з підвищуюче-знижувальним режимом наведена нижче.

Підвищуюче-знижуючий імпульсний регулятор

Коли транзисторний ключ TR1 повністю увімкнений (закритий), напруга на дроселі дорівнює напруги живлення, тому дросель зберігає енергію від вхідного джерела живлення. На підключене навантаження на виході струм не надходить, оскільки діод D1 зміщений у зворотному напрямку. Коли транзисторний ключ повністю вимкнено (відкрито), діод зміщується у прямому напрямку, і енергія, раніше накопичена в котушці індуктивності, передається навантаженню.

Іншими словами, коли перемикач знаходиться в положенні «ВКЛ», енергія подається в індуктор від джерела постійного струму (через перемикач), а на вихід не подається, а коли перемикач знаходиться в положенні «ВИМК», напруга на індукторі змінюється на протилежне, як тепер індуктор стає джерелом енергії, тому енергія, накопичена раніше в індукторі, перемикається на вихід (через діод), і жодна з них не надходить безпосередньо від джерела вхідного постійного струму. Таким чином, напруга, що падає на навантаженні, коли перемикаючий транзистор знаходиться в положенні «ВИМК», дорівнює напрузі дроселя.

В результаті величина інвертованої вихідної напруги може бути більшою або меншою (або дорівнює) величині вхідної напруги в залежності від робочого циклу. Наприклад, підвищуюче-знижуючий перетворювач з позитивного в негативний може перетворювати напругу 5 В 12 (підвищує) або 12 В 5 В (знижувальне).

Стаціонарна вихідна напруга понижувально-підвищуючих імпульсних стабілізаторів VOUT визначається як:

Тоді стабілізатор, що підвищує-знижуючий, отримав свою назву від створення вихідної напруги, яка може бути вищою (як ступінь підвищуючої потужності) або нижче (як ступінь знижуючої потужності) за величиною, ніж вхідна напруга. Однак вихідна напруга протилежна за полярністю вхідної напруги.

Зведення по імпульсному джерелу живлення

Сучасне імпульсне джерело живлення, або SMPS, використовує напівпровідникові перемикачі для перетворення нестабілізованої вхідної напруги постійного струму в регульовану та плавну вихідну напругу постійного струму на різних рівнях напруги. Вхідним джерелом живлення може бути дійсна постійна напруга від батареї або сонячної панелі або випрямлена постійна напруга від джерела змінного струму з використанням діодного мосту разом з деякою додатковою фільтром.

У багатьох програмах керування потужністю силовий транзистор MOSFET або IGFET працює в режимі перемикання, коли він неодноразово вмикається та вимикається на високій швидкості. Основною перевагою цього є те, що енергоефективність стабілізатора може бути досить високою, оскільки транзистор або повністю відкритий та проводить (насичення), або повністю закритий (відсікання).

Існує кілька типів конфігурацій перетворювачів постійного струму в постійний (на відміну від перетворювача постійного струму в змінний, який є інвертором), при цьому тут розглядаються три основні топології імпульсних джерел живлення: знижувальна, що підвищує та знижує. -Підвищують імпульсні регулятори. Всі ці три топології неізольовані, тобто їх вхідна і вихідна напруга мають загальну лінію заземлення.

Кожна конструкція імпульсного стабілізатора має свої унікальні властивості щодо робочих циклів в режимі, що встановився, співвідношення між вхідним і вихідним струмом, а також пульсацій вихідної напруги, створюваних дією напівпровідникового перемикача. Ще однією важливою властивістю цих топологій імпульсних джерел живлення є частотна характеристика комутаційної дії залежно від вихідної напруги.

Регулювання вихідної напруги досягається за рахунок відсоткового регулювання часу, протягом якого перемикаючий транзистор перебуває у стані «ВКЛ», порівняно із загальним часом ВКЛ/ВИМК. Це співвідношення називається робочим циклом, і, змінюючи робочий цикл (D, можна контролювати величину вихідної напруги VOUT.

Використання конструкції імпульсного джерела живлення одного індуктора і діода, а також швидкодіючих напівпровідникових ключів, здатних працювати на частотах перемикання в кілогерцевому діапазоні, дозволяє значно зменшити габарити і масу джерела живлення. .

Це пов'язано з тим, що в їх конструкції не буде великих і важких мереж, що знижують (або підвищують), трансформаторів напруги. Однак, якщо потрібна електрична ізоляція між вхідними та вихідними клемами, перед перетворювачем має бути встановлений трансформатор.

Двома найбільш популярними неізольованими конфігураціями перемикання є понижуючий (віднімає) і підвищує (адитивний) перетворювачі.

Знижувальний перетворювач - це тип імпульсного джерела живлення, який призначений для перетворення електричної енергії з однієї напруги на нижчу. Знижувальний перетворювач працює на послідовно включеному транзисторі, що перемикає. Оскільки робочий цикл D < 1, вихідна напруга понижуючого перетворювача завжди менше вхідної напруги VIN.

Підвищуючий перетворювач – це різновид імпульсного джерела живлення, який призначений для перетворення електричної енергії з однієї напруги на більш високу. Підвищуючий перетворювач працює з паралельно включеним перемикаючим транзистором, що забезпечує постійний струм між VIN та VOUT через дросель L1 та діод D1. Це означає, що захист від короткого замикання на виході відсутня.

Змінюючи робочий цикл (D) перетворювача, що підвищує, можна керувати вихідною напругою, а при D < 1 вихідний постійний струм підвищуючого перетворювача перевищує вхідну напругу VIN через напругу самоіндукції на котушках індуктивності.

Крім того, передбачається, що вихідні конденсатори, що згладжують, в імпульсних джерелах живлення дуже великі, що призводить до постійної вихідної напруги від імпульсного джерела живлення під час перемикання транзисторів.