- Cechy konstrukcyjne i zasada działania
- Jak działa falownik?
- Mocne i słabe strony źródeł impulsów
- Zakres zastosowania
- Zbieramy zasilacze impulsowe własnymi rękami
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Większość nowoczesnych urządzeń elektronicznych praktycznie nie korzysta z analogowych (transformatorowych) zasilaczy, zostały one zastąpione przetwornikami napięcia impulsowego. Aby zrozumieć, dlaczego tak się stało, należy wziąć pod uwagę cechy projektowe, a także mocne i słabe strony tych urządzeń. Opowiemy również o celu głównych komponentów pulsujących źródeł, podamy prosty przykład wdrożenia, który można złożyć ręcznie.
Cechy konstrukcyjne i zasada działania
Spośród kilku sposobów konwersji napięcia do zasilania komponentów elektronicznych można wyróżnić dwa, które są najbardziej rozpowszechnione:
- Analogowy, którego głównym elementem jest transformator obniżający napięcie, oprócz głównej funkcji, zapewnia również izolację galwaniczną.
- Zasada impulsów.
Rozważ różnicę między tymi dwiema opcjami.
BP na podstawie transformatora mocy
Rozważ uproszczony schemat blokowy tego urządzenia. Jak widać z rysunku, na wejściu zainstalowany jest transformator obniżający napięcie, który przekształca amplitudę napięcia zasilania, na przykład z 220 V otrzymujemy 15 V. Następny blok jest prostownikiem, jego zadaniem jest przekształcenie prądu sinusoidalnego w impuls (harmoniczna jest pokazana powyżej konwencjonalnego obrazu). W tym celu wykorzystywane są półprzewodnikowe elementy prostownicze (diody) połączone obwodem mostkowym. Ich zasada działania znajduje się na naszej stronie internetowej.
Następny blok odgrywa dwie funkcje: wygładza napięcie (do tego celu służy kondensator o odpowiedniej pojemności) i stabilizuje go. To ostatnie jest konieczne, aby napięcie nie „zawodziło” wraz ze wzrostem obciążenia.
Podany schemat blokowy jest znacznie uproszczony, co do zasady, w źródle tego typu jest filtr wejściowy i obwody ochronne, ale dla wyjaśnienia działania urządzenia nie jest to konieczne.
Wszystkie wady powyższej opcji są bezpośrednio lub pośrednio związane z głównym elementem konstrukcji - transformatorem. Po pierwsze, jego waga i wymiary ograniczają miniaturyzację. Nie należy dowodzić, że jako przykład podajemy transformator obniżający napięcie 220/12 V o mocy znamionowej 250 watów. Waga takiej jednostki wynosi około 4 kilogramów, wymiary 125x124x89 mm. Możecie sobie wyobrazić, ile waży ładowanie laptopa.
Po drugie, cena takich urządzeń czasami przekracza wielokrotnie całkowity koszt pozostałych komponentów.
Urządzenia impulsowe
Jak widać na schemacie blokowym przedstawionym na rysunku 3, zasada działania tych urządzeń znacznie różni się od przetworników analogowych, przede wszystkim brakiem wejściowego transformatora obniżającego napięcie.
Rozważmy algorytm źródła:
- Zasilacz jest dostarczany do zabezpieczenia przeciwprzepięciowego, jego zadaniem jest minimalizacja zakłóceń sieciowych, zarówno przychodzących, jak i wychodzących, wynikających z działania.
- Następnie działa sinusoidalna jednostka konwersji napięcia w pulsującej stałej i filtrze wygładzającym.
- W następnym etapie falownik jest podłączony do procesu, jego zadanie wiąże się z tworzeniem prostokątnych sygnałów wysokiej częstotliwości. Sprzężenie zwrotne z falownika przez jednostkę sterującą.
- Następnym blokiem jest IT, jest on niezbędny dla trybu automatycznego generowania, dostarczania napięcia do obwodu, ochrony, sterowania kontrolerem, a także obciążenia. Ponadto zadaniem IT jest zapewnienie izolacji elektrycznej między obwodami wysokiego i niskiego napięcia.
W przeciwieństwie do transformatora obniżającego, rdzeń tego urządzenia jest wykonany z materiałów ferrimagnetycznych, co przyczynia się do niezawodnej transmisji sygnałów RF, które mogą być w zakresie 20-100 kHz. Charakterystyczną cechą IT jest to, że kiedy jest podłączony, włączenie początku i końca uzwojeń jest krytyczne. Niewielkie wymiary tego urządzenia umożliwiają wytwarzanie urządzeń o miniaturowych rozmiarach, na przykład elektronicznych rur (balastów) z diodami LED lub energooszczędnymi lampami.
- Następnie działa prostownik wyjściowy, ponieważ działa on z napięciem wysokiej częstotliwości, proces wymaga elementów półprzewodnikowych o dużej prędkości, dlatego do tego celu wykorzystywane są diody Schottky'ego.
- Na zakończonej fazie wygładzanie jest wykonywane na korzystnym filtrze, po czym napięcie jest przykładane do obciążenia.
Teraz, zgodnie z obietnicą, rozważamy zasadę działania głównego elementu tego urządzenia - falownika.
Jak działa falownik?
Modulacja RF może być wykonana na trzy sposoby:
- częstotliwość impulsów;
- impuls fazowy;
- szerokość impulsu.
W praktyce stosuje się ten drugi. Wynika to zarówno z prostoty wykonania, jak i faktu, że częstotliwość PWM częstotliwości komunikacji jest stała, w przeciwieństwie do pozostałych dwóch metod modulacji. Schemat blokowy opisujący pracę sterownika przedstawiono poniżej.
Algorytm urządzenia jest następujący:
Główny generator częstotliwości tworzy szereg prostokątnych sygnałów, których częstotliwość odpowiada wartości odniesienia. Na podstawie tego sygnału tworzona jest forma piłokształtna U S, która jest wprowadzana do komparatora K PWM . Do drugiego wejścia tego urządzenia podawany jest sygnał U US, pochodzący ze wzmacniacza sterującego. Sygnał generowany przez ten wzmacniacz jest proporcjonalny do różnicy U U (napięcie odniesienia) i U RS (sygnał regulacyjny z obwodu sprzężenia zwrotnego). To jest sygnał sterujący U US, w rzeczywistości napięcie błędu o poziomie, który zależy zarówno od prądu obciążenia, jak i napięcia na nim (U OUT ).
Ta metoda implementacji pozwala zorganizować zamknięty obwód, który pozwala kontrolować napięcie wyjściowe, czyli w rzeczywistości mówimy o liniowo-dyskretnym węźle funkcjonalnym. Na wyjściu powstają impulsy o czasie trwania zależnym od różnicy między sygnałem odniesienia i sygnałem sterującym. Na jego podstawie tworzone jest napięcie do sterowania tranzystorem klucza inwertera.
Proces stabilizacji napięcia na wyjściu odbywa się poprzez śledzenie jego poziomu, a gdy się zmienia, napięcie sygnału regulacyjnego U RS zmienia się proporcjonalnie, co prowadzi do zwiększenia lub zmniejszenia czasu trwania między impulsami.
W rezultacie następuje zmiana mocy obwodów wtórnych, tym samym stabilizując napięcie na wyjściu.
Aby zapewnić bezpieczeństwo, konieczna jest izolacja galwaniczna między siecią zasilającą a sprzężeniem zwrotnym. Z reguły do tego celu stosuje się transoptory.
Mocne i słabe strony źródeł impulsów
Jeśli porównamy urządzenia analogowe i impulsowe o tej samej mocy, te ostatnie będą miały następujące zalety:
- Niewielki rozmiar i waga ze względu na brak transformatora obniżającego częstotliwość i elementów sterujących, które wymagają odprowadzania ciepła za pomocą dużych grzejników. Dzięki zastosowaniu technologii konwersji sygnału wysokiej częstotliwości możliwe jest zmniejszenie pojemności kondensatorów stosowanych w filtrach, co umożliwia instalację elementów o mniejszych wymiarach.
- Wyższa wydajność, ponieważ główne straty powodują tylko transjenty, podczas gdy w obwodach analogowych dużo energii jest stale tracone podczas konwersji elektromagnetycznej. Wynik mówi sam za siebie, wzrost wydajności do 95-98%.
- Niższe koszty dzięki zastosowaniu mniej wydajnych elementów półprzewodnikowych.
- Szerszy zakres napięcia wejściowego. Ten typ sprzętu nie wymaga częstotliwości i amplitudy, dlatego można łączyć się z różnymi standardowymi sieciami.
- Obecność niezawodnej ochrony przed zwarciem, przeciążeniem i innymi nietypowymi sytuacjami.
Do wad technologii impulsowej należą:
Obecność zakłóceń RF jest konsekwencją działania przetwornicy wysokiej częstotliwości. Ten czynnik wymaga instalacji filtra, który tłumi zakłócenia. Niestety, jego praca nie zawsze jest skuteczna, co nakłada pewne ograniczenia na korzystanie z urządzeń tego typu w sprzęcie precyzyjnym.
Specjalne wymagania dotyczące ładunku nie powinny być obniżane ani zwiększane. Gdy poziom prądu przekroczy górny lub dolny próg, charakterystyki napięcia na wyjściu zaczną się znacznie różnić od normalnych. Z reguły producenci (ostatnio nawet chińscy) przewidują takie sytuacje i ustanawiają odpowiednią ochronę swoich produktów.
Zakres zastosowania
Praktycznie cała nowoczesna elektronika zasilana jest z bloków tego typu, na przykład,
- różne typy ładowarek;
Ładowanie i zewnętrzne zasilanie - zewnętrzne zasilacze;
- statecznik elektroniczny do urządzeń oświetleniowych;
- Monitory BP, telewizory i inny sprzęt elektroniczny.
Zbieramy zasilacze impulsowe własnymi rękami
Rozważmy schemat prostego źródła zasilania, w którym obowiązuje opisana powyżej zasada działania.
Legenda:
- Rezystory: R1 - 100 Ohm, R2 - od 150 kΩ do 300 kΩ (wybrane), R3 - 1 kΩ.
- Pojemności: C1 i C2 - 0, 01 μF x 630 V, C3 -22 μF x 450 V, C4 - 0, 22 μF x 400 V, C5 - 6800 -15000 pF (wybrane), 012 μF, C6 - 10 μF x 50 V, C7 - 220 mikrofaradów x 25 V, C8 - 22 mikromadów x 25 V.
- Diody: VD1-4 - КД258В, VD5 i VD7 - КД510А, VD6 - КС156А, VD8-11 - КД258А.
- Tranzystor VT1 - KT872A.
- Stabilizator napięcia D1 - Układ scalony KR142 o współczynniku ЕН5 - ЕН8 (w zależności od wymaganego napięcia wyjściowego).
- Transformator T1 - stosowany jest rdzeń ferrytowy 5x5 w kształcie litery W. Uzwojenie pierwotne jest nawinięte 600 zwojów drutem o średnicy 0, 1 mm, drugie (zaciski 3-4) zawiera 44 zwoje o średnicy 0, 25 mm, a ostatnie - 5 zwojów o średnicy 0, 1 mm.
- Bezpiecznik FU1 - 0, 25A.
Strojenie jest ograniczone do wyboru wartości nominalnych R2 i C5, które zapewniają wzbudzenie generatora przy napięciu wejściowym 185-240 V.