6) Планирам да внедря силовия трансформатор върху сърцевина Epcos от тип ETD44/22/15, изработена от материал N95. Може би изборът ми ще се промени допълнително, когато изчисля данните за намотките и общата мощност.
7) Дълго време се колебаех между избора на типа токоизправител на вторичната намотка между двоен диод на Шотки и синхронен токоизправител. Можете да инсталирате двоен диод на Шотки, но това е P = 0.6V * 40A = 24 W в топлина, с SMPS мощност от приблизително 650 W, загуба от 4% се получава! Когато използвате най-често срещания IRF3205 в синхронен токоизправител, съпротивлението на топлинния канал ще бъде освободено P = 0,008 ома * 40A * 40A = 12,8 W. Оказва се, че печелим 2 пъти или 2% ефективност! Всичко беше наред, докато не сглобих решение, базирано на IR11688S на breadboard. Динамичните загуби при превключване бяха добавени към статичните загуби на канала и в крайна сметка това се случи. Капацитетът на работещите на терен за силни токове все още е голям. Това може да се третира с драйвери като HCPL3120, но това увеличава цената на продукта и прекомерно усложнява дизайна на веригата. Всъщност поради тези причини беше решено да се инсталира двоен Шотки и да се спи спокойно.
8) LC веригата на изхода, първо, ще намали пулсациите на тока, и второ, ще ви позволи да „прекъснете“ всички хармоници. Последният проблем е изключително важен при захранване на устройства, работещи в радиочестотния диапазон и включващи високочестотни аналогови схеми. В нашия случай говорим за HF трансивър, така че филтърът е просто жизненоважен тук, в противен случай смущенията ще „пропълзят“ във въздуха. В идеалния случай можете също да поставите линеен стабилизатор на изхода и да получите минимални вълни от единици mV, но в действителност скоростта на операционната система ще ви позволи да получите вълни на напрежението в рамките на 20-30 mV дори без „котел“ вътре; трансивъра, критичните възли се захранват чрез техните LDO, така че излишъкът му е очевиден.
Е, прегледахме функционалността и това е само началото)) Но всичко е наред, тогава ще върви по-енергично, защото започва най-интересната част - изчисленията на всичко!
Изчисляване на силов трансформатор за полумостов преобразувател на напрежение
Сега си струва да помислим малко за дизайна и топологията. Планирам да използвам полеви транзистори, а не IGBT, така че мога да избера по-висока работна честота, докато мисля за 100 или 125 kHz; между другото, същата честота ще бъде на PFC. Увеличаването на честотата ще направи възможно леко намаляване на размерите на трансформатора. От друга страна, не искам да повишавам много честотата, защото... Използвам TL494 като контролер, след 150 kHz вече не се представя толкова добре и динамичните загуби ще се увеличат.Въз основа на тези входове, нека изчислим нашия трансформатор. Имам няколко комплекта ETD44/22/15 на склад и засега се фокусирам върху него, Списъкът на изходните данни е както следва:
1) материал N95;
2) Ядро тип ETD44/22/15;
3) Работна честота - 100 kHz;
4) Изходно напрежение - 15V;
5) Изходен ток - 40А.
За да изчисля трансформатори до 5 kW, използвам програмата „Old Man“, удобна е и изчислява доста точно. След 5 kW магията започва, честотите се увеличават, за да намалят размера, а полето и плътността на тока достигат такива стойности, че дори скин ефектът може да промени параметрите почти 2 пъти, така че за високи мощности използвам старомодния метод „с формули и рисуване с молив върху хартия“. Чрез въвеждане на вашите входни данни в програмата се получи следният резултат:
Фигура 2 - Резултат от изчислението на трансформатор за половин мост
Фигурата от лявата страна показва входните данни, които описах по-горе. В центъра резултатите, които ни интересуват най-много, са подчертани в лилаво. Ще ги прегледам накратко:
1) Входното напрежение е 380V DC, то е стабилизирано, т.к Полу-мостът се захранва от PFC. Такава мощност опростява дизайна на много компоненти, т.к Пулсациите на тока са минимални и трансформаторът не трябва да черпи напрежение, когато входното мрежово напрежение е 140V.
2) Консумираната мощност (изпомпвана през ядрото) се оказа 600 W, което е 2 пъти по-малко от общата мощност (тази, която ядрото може да изпомпва, без да влезе в насищане), което означава, че всичко е наред. Не намерих материала за N95 в програмата, но на уебсайта на Epcos в листа с данни забелязах, че N87 и N95 ще дадат много сходни резултати, като проверих на лист хартия, разбрах, че разликата от 50 W в общата мощност не е ужасна грешка.
3) Данни за първичната намотка: навиваме 21 оборота в 2 проводника с диаметър 0,8 mm, мисля, че всичко е ясно тук? Плътността на тока е около 8A/mm2, което означава, че намотките няма да прегряват - всичко е наред.
4) Данни за вторичната намотка: навиваме 2 намотки от по 2 оборота всяка със същия проводник от 0,8 mm, но вече на 14 - все още токът е 40A! След това свързваме началото на една намотка и края на другата, ще обясня как да направя това по-късно, по някаква причина хората често изпадат в ступор по време на сглобяването в този момент. Изглежда, че и тук няма магия.
5) Индуктивността на изходния дросел е 4,9 μH, токът е съответно 40A. Имаме нужда от него, за да няма огромни токови вълни на изхода на нашия блок По време на процеса на отстраняване на грешки ще покажа на осцилоскоп как да работим с него и без него, всичко ще стане ясно.
Изчислението отне 5 минути, ако някой има въпроси, попитайте в коментарите или PM - ще ви кажа. За да избегнете търсенето на самата програма, предлагам да я изтеглите от облака, като използвате връзката. И моята дълбока благодарност към Стареца за труда му!
Следващата логична стъпка ще бъде да изчислим изходния дросел за полумост, точно този на 4.9 μH.
Изчисляване на параметрите на намотката за изходния дросел
Получихме входните данни в предишния параграф при изчисляване на трансформатора, Това:1) Индуктивност - 4.9 μH;
2) Номинален ток - 40A;
3) Амплитуда пред дросела - 18V;
4) Напрежение след индуктора - 15V.
Използваме и програмата от Стареца (всички са в горната връзка) и получаваме следните данни:
Фигура 3 - Изчислени данни за навиване на изходния дросел
Сега нека да видим резултатите:
1) Според входните данни има 2 нюанса: избраната честота е същата, на която работи преобразувателят, мисля, че това е логично. Втората точка е свързана с плътността на тока, веднага ще отбележа - газта трябва да загрее! Това е точно колко силен вече определяме, избрах плътност на тока от 8A/mm 2, за да получа температура от 35 градуса, това се вижда в изходните данни (маркирани в зелено). В крайна сметка, както си спомняме, според изискванията на изхода е необходим „студен SMPS“. Бих искал също да отбележа една може би не съвсем очевидна точка за начинаещи - индукторът ще се нагрее по-малко, ако през него тече голям ток, тоест при номинално натоварване от 40А, индукторът ще има минимално нагряване. Когато токът е по-малък от номиналния ток, тогава за част от енергията започва да работи като активен товар (резистор) и преобразува цялата излишна енергия в топлина;
2) Максимална индукция, това е стойност, която не може да бъде превишена, в противен случай магнитното поле ще насити ядрото и всичко ще бъде много лошо. Този параметър зависи от материала и неговите общи размери. За съвременни атомизирани железни ядра типичната стойност е 0,5-0,55 T;
3) Данни за навиване: 9 навивки се навиват с наклонени 10 нишки тел с диаметър 0,8 mm. Програмата дори приблизително показва колко слоя ще са необходими за това. Ще навивам с 9 ядра, защото... тогава ще бъде удобно да разделите голямата плитка на 3 „плитки“ от по 3 проводника всяка и да ги запоявате на дъската без никакви проблеми;
4) Всъщност самият пръстен, на който ще го навивам, е с размери 40/24/14,5 мм, достатъчно е с запас. Материал № 52, мисля, че много хора са виждали жълто-сини пръстени в ATX блокове; те често се използват в групови стабилизиращи дросели (GS).
Изчисляване на резервния захранващ трансформатор
Функционалната схема показва, че искам да използвам "класическия" flyback на TOP227 като резервно захранване; всички PWM контролери, индикации и вентилатори на охладителната система ще се захранват от него. Разбрах, че вентилаторите ще се захранват от контролната зала само след известно време, така че този момент не е показан на диаграмата, но е добре, това е развитие в реално време))Нека коригираме малко нашите входни данни, за да видим какво ни трябва:
1) Изходни намотки за PWM: 15V 1A + 15V 1A;
2) Изходна намотка за собствено захранване: 15V 0.1A;
3) Изходна намотка за охлаждане: 15V 1A.
Получаваме нужда от захранване с пълна мощност - 2*15W + 1,5W + 15W = 46,5 W. Това е нормална мощност за TOP227, използвам го в малки SMPS до 75 W за всякакви зареждания на батерии, отвертки и други боклуци, от много години е странно, че нито един все още не е изгорял.
Нека да отидем в друга програма на Стареца и да изчислим трансформатора за обратен ход:
Фигура 4 - Изчислителни данни за резервен захранващ трансформатор
1) Изборът на ядрото е оправдан просто - имам го в размер на кутия и черпи същите 75 W)) Данни за ядрото. Изработена е от материал N87 и има луфт 0,2 мм на всяка половина или 0,4 мм така наречения пълен луфт. Тази сърцевина е предназначена директно за дросели, а за flyback конверторите тази индуктивност е точно дроселът, но няма да навлизам в плевелите още. Ако не е имало празнина в полумостовия трансформатор, тогава той е необходим за обратния преобразувател, в противен случай, като всеки индуктор, той просто ще премине в насищане без празнина.
2) Данните за превключвателя drain-source и съпротивлението на канала 2,7 Ohm са взети от листа с данни на TOP227; този контролер има превключвател за захранване, вграден в самата микросхема.
3) Взех минималното входно напрежение малко с марж - 160V, това беше направено така, че ако самото захранване бъде изключено, дежурството и индикацията ще останат в действие, те ще докладват за необичайно ниско захранващо напрежение.
4) Нашата първична намотка се състои от 45 намотки от 0,335 mm проводник в едно ядро. Вторичните захранващи намотки имат 4 оборота и 4 ядра с проводник 0,335 mm (диаметър), намотката за самозахранване има същите параметри, така че всичко е същото, само 1 ядро, защото токът е с порядък по-нисък.
Изчисляване на силовия дросел на коректора на активната мощност
Мисля, че най-интересната част от този проект е коректорът на фактора на мощността, защото... В интернет има доста информация за тях, а работещите и описани схеми са още по-малко.Избираме програмата за изчисление - PFC_ring (PFC е KKM на басурмански), използваме следните входове:
1) Входно захранващо напрежение - 140 - 265V;
2) Номинална мощност - 600 W;
3) Изходно напрежение - 380V DC;
4) Работна честота - 100 kHz, поради избора на ШИМ контролер.
Фигура 5 - Изчисляване на захранващия дросел на активен PFC
1) Отляво, както обикновено, въвеждаме първоначалните данни, като задаваме 140V като минимален праг, получаваме блок, който може да работи при мрежово напрежение 140V, така че получаваме „вграден стабилизатор на напрежението“;
Схемата на захранващата част и управлението е доста стандартна, ако имате въпроси, питайте в коментарите или на лични съобщения. Ще се опитам да отговоря и да обясня на всички, ако е възможно.
Дизайн на PCB на импулсно захранване
Така стигнах до етапа, който остава нещо свято за мнозина - проектиране/разработка/чертане на печатна платка. Защо предпочитам термина „дизайн“? Това е по-близо до същността на тази операция; за мен „свързването“ на дъска винаги е творчески процес, като художник, който рисува картина, и за хората от други страни ще бъде по-лесно да разберат какво правите.Самият процес на проектиране на платката не съдържа никакви клопки; те се съдържат в устройството, за което е предназначено. Всъщност силовата електроника не предлага някакво огромно количество правила и изисквания на фона на същите микровълнови аналогови или високоскоростни цифрови шини за данни.
Ще изброя основните изисквания и правила, отнасящи се конкретно до силовите вериги, това ще позволи 99% от аматьорските проекти да бъдат изпълнени. Няма да ви разказвам за нюансите и „триковете“ - всеки трябва да вземе собствените си котлети, да натрупа опит и след това да работи с него. И така тръгнахме:
Малко за плътността на тока в печатните проводници
Хората често не мислят за този параметър и съм срещал ситуации, в които захранващата част е направена от 0,6 mm проводници, като 80% от площта на платката е просто празна. Защо правя това, лично за мен е загадка.
И така, каква плътност на тока може да се вземе предвид? За обикновен проводник стандартната цифра е 10A/mm 2, това ограничение е свързано с охлаждането на проводника. Може да пуснеш повече ток, но първо го сложи в течен азот. Плоските проводници, като тези на печатна платка, например, имат по-голяма повърхност, което ги прави по-лесни за охлаждане, което означава, че можете да си позволите по-висока плътност на тока. За нормални условия с пасивно или въздушно охлаждане е прието да се вземат предвид 35-50 A/mm 2, където 35 е за пасивно охлаждане, 50 е при наличие на изкуствена циркулация на въздуха (моят случай). Има още една цифра - 125 A/mm 2, това е наистина голяма цифра, не всички свръхпроводници могат да си го позволят, но е постижимо само с потопяемо течно охлаждане.
С последното се сблъсках, докато работех с компания, занимаваща се с инженерни комуникации и проектиране на сървъри; Бях много изненадан, когато видях плътност на тока от 125 A/mm 2, но те ми обясниха тази възможност и ми я показаха на щанда - тогава разбрах защо цели стелажи със сървъри са потопени в огромни локви масло)) )
В моя хардуер всичко е по-просто, 50 A/mm 2 е доста адекватна цифра, с дебелина на медта от 35 микрона, многоъгълниците ще осигурят необходимото напречно сечение без никакви проблеми. Останалото беше за общо развитие и разбиране на проблема.
2) Дължина на проводниците - в този момент няма нужда да подравнявате линиите с точност до 0,1 mm, както се прави например при „оформяне“ на шината за данни DDR3. Въпреки че все още е много желателно дължината на сигналните линии да бъде приблизително равна на дължината. +-30% от дължината ще бъде достатъчно, основното е да не правите HIN 10 пъти по-дълъг от LIN. Това е необходимо, за да не се изместват фронтовете на сигнала един спрямо друг, тъй като дори при честота от само сто килохерца, разликата от 5-10 пъти може да причини преминаващ ток в превключвателите. Това е особено вярно, когато стойността на „мъртвото време“ е ниска, дори при 3% за TL494 това е вярно;
3) Разстоянието между проводниците - необходимо е да се намалят токовете на утечка, особено за проводници, където протича RF сигнал (PWM), тъй като полето в проводниците възниква силно и RF сигналът, поради скин-ефекта, има тенденция да избяга както върху повърхността на проводника, така и извън неговите граници. Обикновено празнината от 2-3 мм е достатъчна;
4) Галванична изолационна междина е междината между галванично изолирани секции на платката, обикновено изискването за разрушаване е около 5 kV. За да пробиете 1 mm въздух, имате нужда от около 1-1,2 kV, но в нашия случай разбивката е възможна не само чрез въздух, но и чрез PCB и маска. Във фабриката се използват материали, които преминават електрически тестове и можете да спите спокойно. Следователно основният проблем е въздухът и от описаните по-горе условия можем да заключим, че около 5-6 мм хлабина ще бъде достатъчна. По принцип разделянето на полигони под трансформатора, т.к това е основното средство за галванична изолация.
Сега да преминем директно към дизайна на таблото, няма да изпадам в супер подробности в тази статия и като цяло нямам голямо желание да пиша цяла книга с текст. Ако има голяма група заинтересовани хора (ще направя анкета в края), тогава просто ще направя видеоклипове за „окабеляването“ на това устройство, ще бъде по-бързо и по-информативно.
Етапи на създаване на печатна платка:
1) На първо място, трябва да вземете решение за приблизителните размери на устройството. Ако имате готов калъф, тогава трябва да измерите седалката в него и да базирате размерите на дъската на това. Смятам да направя корпус по поръчка от алуминий или месинг, така че ще се опитам да направя възможно най-компактното устройство без загуба на качество и характеристики на работа.
Фигура 9 - Създаване на заготовка за бъдещата дъска
Запомнете - размерите на дъската трябва да са кратни на 1 mm! Или поне 0,5 мм, иначе още ще си спомняте завета ми от Ленин, когато сглобите всичко в панел и направите подготовка за производство, а конструкторите, които ще създават корпуса на вашата платка, ще ви засипят с ругатни. Няма нужда да създавате дъска с размери ala “208.625 mm”, освен ако не е абсолютно необходимо!
P.S. благодаря другарю Лунков за това, че все още ми предаде тази светла мисъл))
Тук направих 4 операции:
А) Направих самата дъска с габаритни размери 250х150 мм. Въпреки че това е приблизителен размер, мисля, че ще се свие забележимо;
б) Закръглени ъглите, т.к по време на процеса на доставка и монтаж, острите ще бъдат убити и набръчкани + дъската изглежда по-хубава;
в) Поставени монтажни отвори, неметализирани, с диаметър на отвора 3 мм за стандартни крепежни елементи и стелажи;
d) Създадох клас „NPTH“, в който дефинирах всички отвори без покритие и създадох правило за него, създавайки празнина от 0,4 mm между всички останали компоненти и компоненти на класа. Това е технологичното изискване на Rezonit за стандартния клас на точност (4-ти).
Фигура 10 - Създаване на правило за отвори без покритие
2) Следващата стъпка е да подредите компонентите, като вземете предвид всички изисквания; вече трябва да е много близо до окончателната версия, т.к През повечето време крайните размери на платката и нейният форм фактор сега ще бъдат определени.
Фигура 11 - Завършено първично поставяне на компоненти
Инсталирах основните компоненти, те най-вероятно няма да се движат и затова окончателно бяха определени общите размери на платката - 220 х 150 мм. Свободното място на платката е оставено с причина, там ще бъдат поставени контролни модули и други малки SMD компоненти. За да се намали цената на платката и да се улесни монтажа, всички компоненти ще бъдат само на горния слой и съответно ще има само един слой за копринен печат.
Фигура 13 - 3D изглед на платката след подреждане на компонентите
3) Сега, след като определихме местоположението и общата структура, подреждаме останалите компоненти и „отделяме“ дъската. Дизайнът на платката може да се извърши по два начина: ръчно и с помощта на авторутер, като предварително сте описали действията си с няколко дузини правила. И двата метода са добри, но все пак ще направя тази дъска на ръка, защото... Има малко компоненти и няма специални изисквания за подравняване на линията и цялост на сигнала и не трябва да има. Това определено ще бъде по-бързо, автоматичното маршрутизиране е добро, когато има много компоненти (от 500 нататък) и основната част от веригата е цифрова. Въпреки че, ако някой се интересува, мога да ви покажа как да "разделяте" дъските автоматично за 2 минути. Вярно преди това цял ден ще трябва да пишеш правилата, хех.
След 3-4 часа "магьосничество" (половината от времето рисувах липсващите модели) с температура и чаша чай, най-накрая окабелих платката. Дори не мислех за спестяване на място; мнозина ще кажат, че размерите биха могли да бъдат намалени с 20-30% и биха били прави. Имам копие от една част и губенето на времето, което очевидно е по-скъпо от 1 dm2 за двуслойна плоскост, беше просто жалко. Говорейки за цената на дъската - при поръчка от Rezonit, 1 dm 2 двуслойна плоскост от стандартен клас струва около 180-200 рубли, така че тук не можете да спестите много, освен ако нямате партида от 500+ броя, от курс. Въз основа на това мога да посъветвам - не се извращавайте с намаляване на площта, ако е клас 4 и няма изисквания за размери. И това е резултатът:
Фигура 14 - Дизайн на платка за импулсно захранване
В бъдеще ще проектирам калъф за това устройство и трябва да знам пълните му размери, както и да мога да го „пробвам“ вътре в калъфа, така че на последния етап да не стане ясно, например че основната платка пречи на конекторите на кутията или дисплея. За да направя това, винаги се опитвам да начертая всички компоненти в 3D форма, изходът е този резултат и файл във формат .step за моя Autodesk Inventor:
Фигура 15 - Триизмерен изглед на полученото устройство
Фигура 16 - Триизмерен изглед на устройството (изглед отгоре)
Документацията вече е готова. Сега трябва да създам необходимия пакет от файлове, за да поръчам компоненти, имам всички настройки, които вече са регистрирани в Altium, така че всичко се качва с един бутон. Имаме нужда от Gerber файлове и NC Drill файл, първият съхранява информация за слоевете, а вторият съхранява координатите на пробиване. Можете да видите файла за изтегляне на документация в края на статията в проекта; всичко изглежда така:
Фигура 17 - Формиране на пакет от документи за поръчка на печатни платки
След като файловете са готови, можете да поръчате дъските. Няма да препоръчвам конкретни производители; вероятно има по-добри и по-евтини за прототипи. Всички плоскости от стандартния клас 2,4,6 слоеве поръчвам от Резонит, където поръчвам 2 и 4-слойни плоскости от 5 клас. Платките от клас 5, където в Китай има 6-24 слоя (например pcbway), но платките HDI и клас 5 с 24 или повече слоя вече са само в Тайван, в края на краищата качеството в Китай все още е слабо и къде етикетът с цената не е куц, не е толкова хубав. Всичко е въпрос на прототипи!
По мои убеждения отивам в Резонит, ох колко нерви изхабиха и колко кръв изпиха... но напоследък като че ли се поправиха и започнаха да работят по-адекватно, макар и с ритници. Правя поръчки през личния си акаунт, въвеждам данни за плащане, качвам файлове и изпращам. Харесвам личната им сметка, между другото, те веднага изчисляват цената и чрез промяна на параметрите можете да постигнете по-добра цена, без да губите качество.
Например, сега исках платка на 2 mm PCB с 35 микрона мед, но се оказа, че този вариант е 2,5 пъти по-скъп от варианта с 1,5 mm PCB и 35 микрона - така че избрах последния. За да увелича твърдостта на дъската, добавих допълнителни отвори за стойките - проблемът беше решен, цената беше оптимизирана. Между другото, ако платката влезе в серия, тогава някъде около 100 броя тази разлика от 2,5 пъти изчезна и цените се изравниха, защото тогава за нас беше закупен нестандартен лист и изразходван без остатъци.
Фигура 18 - Окончателен изглед на изчислението на разходите за платка
Крайната цена се определя: 3618 рубли. От тях 2100 е подготовка, плаща се само веднъж на проект, всички следващи повторения на поръчката вървят без нея и ще плащате само площта. В този случай 759 рубли за дъска с площ от 3,3 dm2, колкото по-голяма е серията, толкова по-ниска ще бъде цената, въпреки че сега е 230 рубли / dm2, което е съвсем приемливо. Разбира се, беше възможно да се направи спешно производство, но поръчвам често, работя с един мениджър и момичето винаги се опитва да прокара поръчката по-бързо, ако производството не е заето - в крайна сметка, дори и с „малките серии ” вариант, времето за изпълнение е 5-6 дни, достатъчно е само да общувате учтиво и да не се държите грубо с хората. И аз не бързам, така че реших да спестя около 40%, което е поне хубаво.
Епилог
Е, стигнах до логичния завършек на статията - получаване на дизайн на верига, дизайн на платка и поръчка на платки в производство. Ще има общо 2 части, първата е пред вас, а във втората ще ви разкажа как инсталирах, сглобих и дебъгвах устройството.Както обещах, споделям изходния код на проекта и други продукти от нашата дейност:
1) Източник на проекта в Altium Designer 16 - ;
2) Файлове за поръчка на печатни платки - . Ами ако искате да повторите и поръчате, например, от Китай, този архив е повече от достатъчен;
3) Схема на устройството в pdf - . За тези, които не искат да прекарват време в инсталиране на Altium от телефон или за преглед (високо качество);
4) Отново, за тези, които не искат да инсталират тежък софтуер, но се интересуват от въртене на хардуера, публикувам 3D модел в pdf - . За да го видите, трябва да изтеглите файла; когато го отворите, щракнете върху „доверете се на документа само веднъж“ в горния десен ъгъл, след което щракнете върху центъра на файла и белият екран се превръща в модел.
Искам да попитам и мнението на читателите... Сега платките са поръчани, както и компонентите - всъщност има 2 седмици, за какво да пиша статия? В допълнение към такива „мутанти“ като този, понякога искате да изваяте нещо миниатюрно, но полезно, представих няколко опции в анкетите или може би предложете своя вариант в лично съобщение, за да не претрупвате коментарите.
В анкетата могат да участват само регистрирани потребители. Влез Моля.
Превключване на токае инверторна система, в която входното AC напрежение се изправя и след това полученото постоянно напрежение се преобразува във високочестотни импулси със зададен работен цикъл, които обикновено се подават към импулсен трансформатор.
Импулсните трансформатори се произвеждат по същия принцип като нискочестотните трансформатори, само сърцевината не е стомана (стоманени плочи), а феромагнитни материали - феритни сърцевини.
Ориз. Как работи импулсното захранване?
Изходно напрежение на импулсно захранване стабилизиран, това става чрез отрицателна обратна връзка, която ви позволява да поддържате изходното напрежение на същото ниво, дори когато входното напрежение и мощността на натоварване на изхода на устройството се променят.
Отрицателната обратна връзка може да се реализира с помощта на една от допълнителните намотки в импулсния трансформатор или с помощта на оптрон, който е свързан към изходните вериги на източника на захранване. Използването на оптрон или една от намотките на трансформатора позволява галванична изолация от мрежата за променливо напрежение.
Основните предимства на импулсните захранвания (SMPS):
- ниско тегло на конструкцията;
- малки размери;
- голяма мощ;
- висока ефективност;
- ниска цена;
- висока стабилност;
- широка гама от захранващи напрежения;
- множество готови компонентни решения.
Недостатъците на SMPS включват факта, че такива захранвания са източници на смущения, това се дължи на принципа на работа на преобразувателната верига. За частично отстраняване на този недостатък се използва екраниране на веригата. Също така, поради този недостатък, в някои устройства използването на този тип захранване е невъзможно.
Импулсните захранвания се превърнаха в почти незаменим атрибут на всички съвременни домакински уреди, които консумират енергия от мрежата над 100 W. Компютрите, телевизорите и мониторите попадат в тази категория.
За да се създадат импулсни захранвания, примери за конкретни изпълнения на които ще бъдат дадени по-долу, се използват специални схемни решения.
По този начин, за да се елиминират преминаващите токове през изходните транзистори на някои импулсни захранвания, се използва специална форма на импулси, а именно правоъгълни биполярни импулси с интервал от време между тях.
Продължителността на този интервал трябва да бъде по-голяма от времето на резорбция на миноритарни носители в основата на изходните транзистори, в противен случай тези транзистори ще бъдат повредени. Ширината на управляващите импулси може да се променя с помощта на обратна връзка за стабилизиране на изходното напрежение.
Обикновено, за да се осигури надеждност, импулсните захранвания използват транзистори с високо напрежение, които поради технологичните характеристики не се различават към по-добро (те имат ниски честоти на превключване, ниски коефициенти на пренос на ток, значителни токове на утечка, големи падания на напрежението в колектора кръстовище в отворено състояние).
Това важи особено за вече остарели модели домашни транзистори като KT809, KT812, KT826, KT828 и много други. Струва си да се каже, че през последните години се появи достоен заместител на биполярните транзистори, традиционно използвани в изходните етапи на импулсни захранвания.
Това са специални полеви транзистори с високо напрежение от местно и главно чуждестранно производство. Освен това има множество микросхеми за превключване на захранвания.
Схема на импулсен генератор с регулируема ширина
Биполярни симетрични импулси с регулируема ширина могат да бъдат получени с помощта на генератор на импулси съгласно схемата на фиг. 1. Устройството може да се използва в схеми за автоматично регулиране на изходната мощност на импулсни захранвания. На чипа DD1 (K561LE5/K561 LAT) е монтиран правоъгълен генератор на импулси с работен цикъл 2.
Симетрията на генерираните импулси се постига чрез регулиране на резистор R1. Работната честота на генератора (44 kHz), ако е необходимо, може да бъде променена чрез избиране на капацитета на кондензатора C1.
Ориз. 1. Схема на формовчик на биполярни симетрични импулси с регулируема продължителност.
Компараторите на напрежението са монтирани на елементи DA1.1, DA1.3 (K561KTZ); на DA1.2, DA1.4 - изходни ключове. Правоъгълни импулси се подават към входовете на компараторните ключове DA1.1, DA1.3 в противофаза чрез формиране на RC диодни вериги (R3, C2, VD2 и R6, SZ, VD5).
Зареждането на кондензатори C2, SZ става по експоненциален закон съответно чрез R3 и R5; разреждане - почти мигновено през диоди VD2 и VD5. Когато напрежението на кондензатор C2 или SZ достигне работния праг на превключвателите на компаратора DA1.1 или DA1.3, съответно, те се включват и резисторите R9 и R10, както и контролните входове на ключовете DA1.2 и DA1.4, са свързани към положителния полюс на източника на хранене.
Тъй като превключвателите са включени в противофаза, такова превключване се извършва строго един по един, с пауза между импулсите, което елиминира възможността за преминаване на ток през превключватели DA1.2 и DA1.4 и управляваните от тях преобразувателни транзистори, ако биполярен генератор на импулси се използва във верига на импулсно захранване.
Плавното управление на ширината на импулса се осъществява чрез едновременно прилагане на стартово (първоначално) напрежение към входовете на компараторите (кондензатори C2, SZ) от потенциометър R5 през диодно-резистивни вериги VD3, R7 и VD4, R8. Максималното ниво на контролно напрежение (максимална ширина на изходния импулс) се задава чрез избор на резистор R4.
Товарното съпротивление може да бъде свързано с помощта на мостова верига - между точката на свързване на елементи DA1.2, DA1.4 и кондензатори Ca, Cb. Импулси от генератора могат да се подават и към транзисторен усилвател на мощност.
При използване на биполярен генератор на импулси в импулсна верига на захранване, резистивният делител R4, R5 трябва да включва регулаторен елемент - полеви транзистор, оптронен фотодиод и др., Което позволява, когато товарният ток намалява/увеличава, да автоматично регулира ширината на генерирания импулс, като по този начин контролира изходната мощност на преобразувателя.
Като пример за практическа реализация на импулсни захранвания, ние предоставяме описания и диаграми на някои от тях.
Верига на импулсно захранване
Превключване на тока(Фиг. 2) се състои от токоизправители на мрежово напрежение, главен осцилатор, правоъгълен импулсен формовчик с регулируема продължителност, двустепенен усилвател на мощност, изходни токоизправители и схема за стабилизиране на изходното напрежение.
Главният осцилатор е направен на микросхема тип K555LAZ (елементи DDI .1, DDI .2) и произвежда правоъгълни импулси с честота 150 kHz. RS тригер е монтиран на елементи DD1.3, DD1.4, чиято изходна честота е наполовина по-ниска - 75 kHz. Блокът за управление на продължителността на превключващия импулс е реализиран на микросхема тип K555LI1 (елементи DD2.1, DD2.2), а продължителността се регулира с помощта на оптрон U1.
Изходният етап на формовчика на превключващите импулси се сглобява с помощта на елементи DD2.3, DD2.4. Максималната изходна мощност на формовчика на импулси достига 40 mW. Предварителният усилвател на мощността е направен на транзистори VT1, VT2 тип KT645A, а крайният усилвател е направен на транзистори VT3, VT4 тип KT828 или по-модерни. Изходната мощност на каскадите е съответно 2 и 60...65 W.
Схема за стабилизиране на изходното напрежение се сглобява с помощта на транзистори VT5, VT6 и оптрон U1. Ако напрежението на изхода на захранването е под нормалното (12 V), ценеровите диоди VD19, VD20 (KS182+KS139) са затворени, транзисторът VT5 е затворен, транзисторът VT6 е отворен, през светодиода (U1) протича ток. .2) на оптрона, ограничен от съпротивление R14; Съпротивлението на фотодиода (U1.1) на оптрона е минимално.
Сигналът, взет от изхода на елемент DD2.1 и подаден към входовете на веригата за съвпадение DD2.2 директно и чрез регулируем елемент за забавяне (R3 - R5, C4, VD2, U1.1), поради малката му времеконстанта , пристига почти едновременно на входовете на съвпаденията на веригата (елемент DD2.2).
На изхода на този елемент се формират широки управляващи импулси. На първичната намотка на трансформатора Т1 (изходи на елементи DD2.3, DD2.4) се формират биполярни импулси с регулируема продължителност.
Ориз. 2. Схема на импулсно захранване.
Ако по някаква причина напрежението на изхода на захранването се увеличи над нормалното, токът ще започне да тече през ценеровите диоди VD19, VD20, транзисторът VT5 ще се отвори леко, VT6 ще се затвори, намалявайки тока през светодиода на оптрона U1 .2.
В този случай съпротивлението на фотодиода на оптрона U1.1 се увеличава. Продължителността на управляващите импулси намалява и изходното напрежение (мощност) намалява. При късо съединение на товара светодиодът на оптрона изгасва, съпротивлението на фотодиода на оптрона е максимално, а продължителността на управляващите импулси е минимална. Бутон SB1 е предназначен за стартиране на веригата.
При максималната продължителност положителните и отрицателните управляващи импулси не се припокриват във времето, тъй като между тях има времева разлика поради наличието на резистор R3 във формиращата верига.
Това намалява вероятността от преминаване на токове през изходните сравнително нискочестотни транзистори на крайния етап на усилване на мощността, които отнемат много време, за да абсорбират излишните носители в базовия преход. Изходните транзистори са инсталирани на радиатори с ребра с площ най-малко 200 cm^2. В базовите вериги на тези транзистори е препоръчително да се монтират съпротивления от 10...51 ома.
Етапите за усилване на мощността и веригата за генериране на биполярни импулси се захранват от токоизправители, направени на диоди VD5 - VD12 и елементи R9 - R11, C6 - C9, C12, VD3, VD4.
Трансформатори T1, T2 са направени на феритни пръстени K10x6x4.5 ZOOONM; ТЗ - К28х16х9 ЗОООНМ. Първичната намотка на трансформатор Т1 съдържа 165 намотки от проводник PELSHO 0,12, вторичната намотка съдържа 2 × 65 намотки от PEL-2 0,45 (намотка в два проводника).
Първичната намотка на трансформатора T2 съдържа 165 оборота от тел PEV-2 0,15 mm, вторичните намотки съдържат 2x40 оборота от същия проводник. Първичната намотка на трансформатора TZ съдържа 31 намотки от проводник MGShV, резбована в камбрик и с напречно сечение от 0,35 mm^2, вторичната намотка има 3 × 6 намотки от проводник PEV-2 1,28 mm (паралелно свързване). При свързване на трансформаторни намотки е необходимо да ги фазирате правилно. Началото на намотките е показано на фигурата със звездички.
Захранването работи в диапазона на мрежовото напрежение от 130…250 V. Максималната изходна мощност при симетрично натоварване достига 60…65 W (стабилизирано напрежение с положителна и отрицателна полярност 12 S и стабилизирано променливо напрежение с честота 75 kHz, отстранен от вторичната намотка на трансформатор Т3) . Напрежението на пулсации на изхода на захранването не надвишава 0,6 V.
При настройка на източник на захранване мрежовото напрежение се подава към него чрез изолационен трансформатор или ферорезонансен стабилизатор с изход, изолиран от мрежата. Цялото повторно запояване в източника може да се извърши само когато устройството е напълно изключено от мрежата.
Препоръчително е да включите лампа с нажежаема жичка 60 W 220 V последователно с изходния етап, докато настройвате устройството. Тази лампа ще защити изходните транзистори в случай на грешки при монтажа. Оптронът U1 трябва да има напрежение на пробив на изолацията най-малко 400 V. Не се допуска работа на устройството без товар.
Мрежово импулсно захранване
Мрежово импулсно захранване (фиг. 3) е предназначено за телефонни апарати с автоматична идентификация на обаждащия се или за други устройства с консумирана мощност 3...5W, захранвани с напрежение 5...24V.
Захранването е защитено срещу късо съединение на изхода. Нестабилността на изходното напрежение не надвишава 5%, когато захранващото напрежение се променя от 150 до 240 V и токът на натоварване е в рамките на 20... 100% от номиналната стойност.
Генератор на управлявани импулси осигурява сигнал с честота 25...30 kHz на базата на транзистора VT3.
Дроселите L1, L2 и L3 са навити на магнитни сърцевини тип K10x6x3 от пресован пермалой MP140. Намотките на индуктора L1, L2 съдържат 20 навивки от 0,35 mm PETV проводник и всяка от тях е разположена на собствената си половина на пръстена с разстояние между намотките най-малко 1 mm.
Дроселът L3 е навит с 0,63 мм PETV жица, за да се върти в един слой по вътрешния периметър на пръстена. Трансформатор T1 е направен върху магнитна сърцевина B22, изработена от ферит M2000NM1.
Ориз. 3. Схема на мрежово импулсно захранване.
Неговите намотки се навиват на сгъваема рамка от завъртане до завъртане с PETV проводник и импрегнирани с лепило. Първата намотка I е навита на няколко слоя, съдържащи 260 навивки от тел 0,12 mm. Екранираща намотка с един извод се навива със същия проводник (показан с пунктирана линия на фиг. 3), след което се нанася лепило BF-2 и се увива с един слой Lakot-kani.
Намотка III е навита с тел 0,56 mm. За изходно напрежение от 5V, той съдържа 13 оборота. Намотка II се навива последна. Съдържа 22 навивки тел 0,15...0,18 mm. Между чашите е осигурена немагнитна междина.
Източник на постоянно напрежение с високо напрежение
За да се създаде високо напрежение (30...35 kV при ток на натоварване до 1 mA) за захранване на електроефлувиален полилей (полилей на A.L. Chizhevsky), е проектиран източник на постоянен ток на базата на специализирана микросхема от типа K1182GGZ.
Захранването се състои от токоизправител на мрежово напрежение на диоден мост VD1, филтърен кондензатор C1 и полумостов осцилатор с високо напрежение на чип DA1 от типа K1182GGZ. Чипът DA1, заедно с трансформатора T1, преобразува директно изправено мрежово напрежение във високочестотно (30...50 kHz) импулсно напрежение.
Ректифицираното мрежово напрежение се подава към микросхемата DA1, а стартовата верига R2, C2 стартира автоосцилатора на микросхемата. Веригите R3, SZ и R4, C4 задават честотата на генератора. Резисторите R3 и R4 стабилизират продължителността на полупериодите на генерираните импулси. Изходното напрежение се увеличава чрез навиване L4 на трансформатора и се подава към умножител на напрежение с помощта на диоди VD2 - VD7 и кондензатори C7 - C12. Ректифицираното напрежение се подава към товара чрез ограничителен резистор R5.
Линейният филтърен кондензатор C1 е проектиран за работно напрежение 450 V (K50-29), C2 - от всякакъв тип за напрежение 30 V. Кондензаторите C5, C6 са избрани в диапазона от 0,022...0,22 μF за напрежение най-малко 250 V (K71-7, K73 -17). Умножителни кондензатори C7 - C12 тип KVI-3 за напрежение 10 kV. Възможно е да се замени с кондензатори от типове K15-4, K73-4, POV и други с работно напрежение 10 kV или по-високо.
Ориз. 4. Схема на захранване с постоянен ток с високо напрежение.
Високоволтови диоди VD2 - VD7 тип KTs106G (KTs105D). Ограничителен резистор R5 тип KEV-1. Може да се замени с три резистора тип MLT-2 по 10 MOhm всеки.
Като трансформатор се използва телевизионен линеен трансформатор, например TVS-110LA. Високоволтовата намотка се оставя, останалите се отстраняват и на тяхно място се поставят нови намотки. Всяка от намотките L1, L3 съдържа 7 намотки от 0,2 mm PEL проводник, а намотката L2 съдържа 90 намотки от същия проводник.
Препоръчително е да включите верига от резистори R5, която ограничава тока на късо съединение, в „отрицателния“ проводник, който е свързан към полилея. Този проводник трябва да има изолация за високо напрежение.
Коректор на фактора на мощността
Устройството, наречено коректор на фактора на мощността (фиг. 5), е сглобено на базата на специализирана микросхема TOP202YA3 (Power Integration) и осигурява фактор на мощността най-малко 0,95 с мощност на натоварване от 65 W. Коректорът приближава формата на тока, консумиран от товара, до синусоидална.
Ориз. 5. Схема на коректор на фактора на мощността, базирана на микросхемата TOP202YA3.
Максималното входно напрежение е 265 V. Средната честота на преобразувателя е 100 kHz. Ефективността на коректора е 0,95.
Импулсно захранване с микросхема
Диаграмата на захранване с микросхема от същата компания Power Integration е показана на фиг. 6. Устройството използва полупроводников ограничител на напрежението- 1.5KE250A.
Преобразувателят осигурява галванична изолация на изходното напрежение от мрежовото напрежение. С номиналните стойности и елементите, посочени в диаграмата, устройството ви позволява да свържете товар, който консумира 20 W при напрежение 24 V. Ефективността на преобразувателя се доближава до 90%. Честота на преобразуване - 100 Hz. Устройството е защитено от късо съединение в товара.
Ориз. 6. Схема на 24V импулсно захранване на микросхема от Power Integration.
Изходната мощност на преобразувателя се определя от вида на използваната микросхема, чиито основни характеристики са дадени в таблица 1.
Таблица 1. Характеристики на микросхемите от серията TOP221Y - TOP227Y.
Прост и високоефективен преобразувател на напрежение
Базиран на една от микросхемите TOP200/204/214 от Power Integration, прост и високоефективен преобразувател на напрежение(фиг. 7) с изходна мощност до 100 W.
Ориз. 7. Схема на импулсен преобразувател Buck-Boost, базиран на микросхемата TOP200/204/214.
Преобразувателят съдържа мрежов филтър (C1, L1, L2), мостов токоизправител (VD1 - VD4), самия преобразувател U1, верига за стабилизиране на изходното напрежение, токоизправители и изходен LC филтър.
Входният филтър L1, L2 е навит в два проводника върху феритен пръстен M2000 (2 × 8 оборота). Индуктивността на получената намотка е 18...40 mH. Трансформаторът T1 е направен върху феритна сърцевина със стандартна рамка ETD34 от Siemens или Matsushita, въпреки че могат да се използват други вносни сърцевини като EP, EC, EF или домашни W-образни феритни сърцевини M2000.
Намотка I има 4×90 навивки PEV-2 0,15 mm; II - 3x6 от същия проводник; III - 2×21 оборота ПЕВ-2 0,35 мм. Всички намотки са навити от завой до завой. Между слоевете трябва да се осигури надеждна изолация.
Принципът за реализиране на вторична мощност чрез използването на допълнителни устройства, които осигуряват енергия на веригите, се използва от доста дълго време в повечето електрически уреди. Тези устройства са захранващи устройства. Те служат за преобразуване на напрежението до необходимото ниво. Захранващите блокове могат да бъдат както вградени, така и отделни елементи. Има два принципа за преобразуване на електроенергия. Първият се основава на използването на аналогови трансформатори, а вторият се основава на използването на импулсни захранвания. Разликата между тези принципи е доста голяма, но, за съжаление, не всеки я разбира. В тази статия ще разберем как работи импулсното захранване и как се различава толкова много от аналоговото. Да започваме. Отивам!
Първи се появиха трансформаторните захранвания. Техният принцип на работа е, че те променят структурата на напрежението с помощта на силов трансформатор, който е свързан към мрежа от 220 V. Там се намалява амплитудата на синусоидалния хармоник, който се изпраща по-нататък към токоизправителя. След това напрежението се изглажда от паралелно свързан кондензатор, който се избира според допустимата мощност. Регулирането на напрежението на изходните клеми се осигурява чрез промяна на позицията на регулиращите резистори.
Сега да преминем към импулсните захранвания. Те се появиха малко по-късно, но веднага спечелиха значителна популярност поради редица положителни характеристики, а именно:
- Наличие на опаковка;
- Надеждност;
- Възможност за разширяване на работния диапазон за изходни напрежения.
Всички устройства, които включват принципа на импулсното захранване, практически не се различават един от друг.
Елементите на импулсното захранване са:
- Линейно захранване;
- Резервно захранване;
- Генератор (ZPI, управление);
- Ключов транзистор;
- оптрон;
- Контролни вериги.
За да изберете захранване с определен набор от параметри, използвайте уебсайта ChipHunt.
Нека най-накрая да разберем как работи импулсното захранване. Той използва принципите на взаимодействие между елементите на инверторната верига и благодарение на това се постига стабилизирано напрежение.
Първо, токоизправителят получава нормално напрежение от 220 V, след което амплитудата се изглажда с помощта на капацитивни филтърни кондензатори. След това преминаващите синусоиди се коригират от изходния диоден мост. След това синусоидите се преобразуват във високочестотни импулси. Преобразуването може да се извърши както с галванично разделяне на захранващата мрежа от изходните вериги, така и без такава изолация.
Ако захранването е галванично изолирано, тогава високочестотните сигнали се подават към трансформатор, който извършва галванична изолация. За да се увеличи ефективността на трансформатора, честотата се увеличава.
Работата на импулсно захранване се основава на взаимодействието на три вериги:
- PWM контролер (контролира преобразуването на широчинно-импулсната модулация);
- Каскада от превключватели за захранване (състои се от транзистори, които се включват според една от трите вериги: мост, полумост, със средна точка);
- Импулсен трансформатор (има първична и вторична намотка, които са монтирани около магнитното ядро).
Ако захранването е без развързване, тогава високочестотният изолационен трансформатор не се използва и сигналът се подава директно към нискочестотния филтър.
Сравнявайки импулсните захранвания с аналоговите, можете да видите очевидните предимства на първите. UPS имат по-малко тегло, а ефективността им е значително по-висока. Имат по-широк обхват на захранващото напрежение и вградена защита. Цената на такива захранвания обикновено е по-ниска.
Недостатъците включват наличието на високочестотни смущения и ограничения на мощността (както при високи, така и при ниски натоварвания).
Можете да проверите UPS с помощта на обикновена лампа с нажежаема жичка. Моля, обърнете внимание, че не трябва да свързвате лампата в процепа на отдалечения транзистор, тъй като първичната намотка не е проектирана да пропуска постоянен ток, така че при никакви обстоятелства не трябва да се оставя да преминава.
Ако лампата свети, значи захранването работи нормално, но ако не свети, значи захранването не работи. Кратко мигане показва, че UPS е заключен веднага след стартиране. Много ярко сияние показва липса на стабилизация на изходното напрежение.
Сега ще знаете на какво се основава принципът на работа на импулсните и конвенционалните аналогови захранвания. Всеки от тях има свои собствени структурни и оперативни характеристики, които трябва да бъдат разбрани. Можете също да проверите работата на UPS с помощта на обикновена лампа с нажежаема жичка. Напишете в коментарите дали тази статия е била полезна за вас и задайте всички въпроси, които имате по обсъжданата тема.
Много електрически устройства отдавна използват принципа на реализиране на вторично захранване чрез използването на допълнителни устройства, на които са поверени функциите за осигуряване на електричество на вериги, които изискват захранване от определени видове напрежение, честота, ток...
За тази цел се създават допълнителни елементи: преобразуване на напрежение от един вид в друг. Те могат да бъдат:
вграден в потребителския корпус, както при много микропроцесорни устройства;
или направени в отделни модули със свързващи проводници, подобни на конвенционално зарядно за мобилен телефон.
В съвременната електротехника два принципа на преобразуване на енергия за електрически консуматори, базирани на:
1. използване на аналогови трансформаторни устройства за пренос на мощност към вторичната верига;
2. импулсни захранвания.
Те имат фундаментални различия в дизайна си и работят с различни технологии.
Трансформаторни захранвания
Първоначално са създадени само такива дизайни. Те променят структурата на напрежението поради работата на силов трансформатор, захранван от 220-волтова домакинска мрежа, в която амплитудата на синусоидалния хармоник намалява, която след това се изпраща към токоизправително устройство, състоящо се от силови диоди, обикновено свързани в мостова верига.
След това пулсиращото напрежение се изглажда от паралелно свързан капацитет, избран според допустимата мощност и стабилизиран от полупроводникова верига с мощни транзистори.
Чрез промяна на позицията на подстригващите резистори в стабилизационната верига е възможно да се регулира напрежението на изходните клеми.
Импулсни захранвания (UPS)
Подобни дизайнерски разработки се появиха масово преди няколко десетилетия и станаха все по-популярни в електрическите устройства поради:
наличие на общи компоненти;
надеждност при изпълнение;
възможности за разширяване на работния диапазон на изходните напрежения.
Почти всички импулсни захранвания се различават леко по дизайн и работят по същата схема, характерна за други устройства.
Основните части на захранващите устройства включват:
мрежов токоизправител, съставен от: входни дросели, електромеханичен филтър, който осигурява отхвърляне на шума и статична изолация от кондензатори, мрежов предпазител и диоден мост;
филтърен резервоар за съхранение;
ключов мощностен транзистор;
главен осцилатор;
верига за обратна връзка, направена с помощта на транзистори;
оптрон;
импулсно захранване, от чиято вторична намотка излиза напрежение, което се преобразува в силова верига;
токоизправителни диоди на изходната верига;
вериги за контрол на изходното напрежение, например 12 волта с настройка, направена с помощта на оптрон и транзистори;
филтърни кондензатори;
захранващи дросели, които изпълняват ролята на корекция на напрежението и диагностика в мрежата;
изходни конектори.
Пример за електронна платка на такова импулсно захранване с кратко обозначение на елементната база е показан на снимката.
Как работи импулсното захранване?
Импулсното захранване произвежда стабилизирано захранващо напрежение, като използва принципите на взаимодействие между елементите на инверторната верига.
Мрежовото напрежение 220 волта се подава през свързаните проводници към токоизправителя. Неговата амплитуда се изглажда от капацитивен филтър чрез използването на кондензатори, които могат да издържат на пикове от около 300 волта, и се разделя от шумов филтър.
За обикновен човек, който не се задълбочава в електрониката, преходът на всички захранващи устройства от линейни към импулсни беше невидим. Това са импулсни захранвания (SMPS), които са инсталирани във всички съвременни съоръжения. Основната причина за преминаването към този тип преобразувател на напрежение е намаляването на размера. Тъй като през цялото време, от началото на появата и изобретяването си, електронните устройства изискват постоянно намаляване на размера им. Фигурата показва за сравнение размерите на конвенционален и импулсен източник на постоянен ток. Разликите в размера се виждат с просто око.
Принципът на работа на SMPS и неговия дизайн
Импулсното захранване е устройство, което работи на принципа на инвертор, т.е. първо преобразува променливото напрежение в постоянно напрежение и след това отново го преобразува в променливо напрежение с желаната честота. В крайна сметка последният етап на преобразувателя все още се основава на коригиране на напрежението, тъй като повечето устройства все още работят при намалено постоянно напрежение. Същността на намаляването на размера на тези захранващи и преобразуващи устройства се основава на работата на трансформатора. Факт е, че трансформаторът не може да работи с постоянно напрежение. Просто ЕМП (електродвижеща сила) няма да бъде индуцирана на изхода на вторичната намотка, когато постоянен ток се подава към първичната. За да се появи напрежение върху вторичната намотка, то трябва да промени посоката или големината. Променливото напрежение има това свойство; токът в него променя посоката и големината си с честота 50 Hz. Въпреки това, за да се намали размерът на самото захранване и съответно на трансформатора, който е в основата на галваничната изолация, е необходимо да се увеличи честотата на входното напрежение. 
В същото време импулсните трансформатори, за разлика от конвенционалните линейни, имат феритна сърцевина на магнитната верига, а не стоманена сърцевина, изработена от плочи. И също така съвременните захранвания, работещи на този принцип, се състоят от:
- токоизправител за мрежово напрежение;
- генератор на импулси, работещ на базата на ШИМ (широчинно-импулсна модулация) или тригер на Шмит;
- DC стабилизиран преобразувател на напрежение.
След токоизправителя на мрежовото напрежение импулсен генератор, използващ ШИМ, го генерира в променливо напрежение с честота около 20–80 kHz. Именно това увеличение от 50 Hz до десетки kHz прави възможно значително намаляване както на размерите, така и на теглото на източника на енергия. Горният диапазон може да бъде по-голям, но тогава устройството ще създаде високочестотни смущения, които ще повлияят на работата на радиочестотното оборудване. При избора на PWM стабилизация е задължително да се вземат предвид и по-високите хармоници на токовете.
Дори когато работят на тези честоти, тези импулсни устройства произвеждат високочестотен шум. И колкото повече са в една стая или в едно затворено пространство, толкова повече са в радиочестотите. За да се абсорбират тези негативни влияния и смущения, на входа и на изхода на устройството са монтирани специални шумопотискащи филтри. 
Това е ярък пример за модерно импулсно захранване, използвано в персоналните компютри.
A - входен токоизправител. Могат да се използват полумостови и пълномостови схеми. По-долу е входен филтър с индуктивност;
B - входни изглаждащи кондензатори с доста голям капацитет. Вдясно е радиатор за високоволтови транзистори;
C - импулсен трансформатор. Отдясно е монтиран радиатор за нисковолтови диоди;
D - изходна филтърна бобина, т.е. групов стабилизиращ дросел;
Е - изходни филтърни кондензатори.
Бобината и големият жълт кондензатор под E са компоненти на допълнителен входен филтър, монтиран директно на захранващия конектор, а не част от основната платка.
Ако радиолюбител сам измисли схема, тогава той трябва да погледне в справочника за радиокомпоненти. Справочникът е основният източник на информация в случая.
Flyback импулсно захранване
Това е един от видовете импулсни захранвания, които имат галванична изолация както на първичната, така и на вторичната верига. Веднага е изобретен този тип преобразувател, който е патентован през 1851 г., а подобрената му версия се използва в системите за запалване и хоризонталното сканиране на телевизори и монитори, за подаване на енергия с високо напрежение към вторичния анод на кинескопа. 
Основната част от това захранване също е трансформатор или може би дросел. В работата му има два етапа:
- Натрупване на електрическа енергия от мрежата или от друг източник;
- Изход на натрупаната енергия към вторичните вериги на полумост.
Когато първичната верига се отваря и затваря, токът се появява във вторичната верига. Ролята на изключващия ключ най-често се изпълняваше от транзистор. За да разберете чиито параметри трябва да използвате справочника. Този транзистор най-често се управлява от транзистор с полеви ефекти с помощта на PWM контролер.
Управление на PWM контролер
Преобразуването на мрежовото напрежение, което вече е преминало етапа на коригиране, в правоъгълни импулси се извършва с известна периодичност. Периодът на изключване и включване на този транзистор се извършва с помощта на микросхеми. ШИМ контролерите на тези ключове са основният активен управляващ елемент на веригата. В този случай както предните, така и обратното захранване имат трансформатор, след което се извършва повторно коригиране.
За да се гарантира, че изходното напрежение в SMPS не пада с увеличаване на натоварването, беше разработена верига за обратна връзка, която беше вкарана директно в PWM контролерите. Тази връзка дава възможност за пълно стабилизиране на контролираното изходно напрежение чрез промяна на работния цикъл на импулсите. Контролерите, работещи с PWM модулация, осигуряват широк диапазон от промени на изходното напрежение.
Микросхемите за импулсни захранвания могат да бъдат местно или чуждестранно производство. Например, NCP 1252 са PWM контролери, които имат текущо управление и са предназначени да създават и двата вида импулсни преобразуватели. Главните импулсни генератори на тази марка са се доказали като надеждни устройства. Контролерите NCP 1252 имат всички качествени характеристики за създаване на рентабилни и надеждни захранвания. Импулсните захранвания, базирани на тази микросхема, се използват в много марки компютри, телевизори, усилватели, стерео системи и др. Като разгледате справочника, можете да намерите цялата необходима и подробна информация за всичките му работни параметри.
Предимството на импулсните захранвания пред линейните
Импулсните захранвания предлагат редица предимства, които ги отличават качествено от линейните. Ето основните от тях:
- Значително намаляване на размерите и теглото на устройствата;
- Намаляване на количеството скъпи цветни метали, като мед, използвани при производството им;
- Няма проблеми при късо съединение, това се отнася най-вече за flyback устройства;
- Отлично плавно регулиране на изходното напрежение, както и стабилизирането му чрез въвеждане на обратна връзка в PWM контролерите;
- Високи показатели за ефективност.
Въпреки това, както всичко на този свят, импулсните блокове имат своите недостатъци:
- Излъчване на смущения, които могат да се появят поради дефектни схеми за потискане на шума, най-често поради изсъхване на електролитни кондензатори;
- Нежелана работа без товар;
- По-сложна схема, използваща по-голям брой части, за намиране на чиито аналози е необходим справочник.
Използването на захранващи устройства, базирани на високочестотна модулация (импулс) в съвременната електроника, както в ежедневието, така и в производството, значително повлия на развитието на цялото електронно оборудване. Те отдавна са изместили от пазара остарелите източници, изградени върху традиционна линейна верига, и само ще се подобряват в бъдеще. ШИМ контролерите са сърцето на това устройство и развитието на тяхната функционалност и технически характеристики непрекъснато се подобрява.
Видео за работата на импулсно захранване
