Принцип работы у импульсного блока питания — схема, плюсы, минусы

Содержание
  1. Что это такое
  2. Принцип работы импульсного (инверторного) блока питания
  3. Разновидности импульсных БП
  4. Как осуществлять ремонт устройств?
  5. Чем отличается от трансформаторного блока питания
  6. Как работает трансформаторный блок питания
  7. Устройство импульсного блока питания и его принцип работы
  8. Достоинства и недостатки импульсных блоков питания
  9. Сфера применения импульсного блока питания
  10. Как работает импульсный блок питания электронных устройств
  11. Схемотехника источников питания SMPS
  12. Обратноходовый преобразователь
  13. Преобразователи прямоходового типа
  14. Двухтактные преобразователи
  15. Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП
  16. Входные цепи
  17. Высоковольтный выпрямитель и фильтр
  18. Инвертор
  19. Выпрямитель
  20. Фильтр
  21. Цепи обратной связи
  22. Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1
  23. Сетевой фильтр и выпрямитель
  24. Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра
  25. Схема ИБП
  26. Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Что это такое

Упрощенно трансформаторный блок питания можно представить в виде схемы, состоящей из самого трансформатора, выпрямителя, фильтра сглаживания параметров выходного напряжения и стабилизатора. Такие устройства имеют довольно простую схему, недорогие и обеспечивают низкий уровень шума в выходном сигнале.

Но у них есть серьезные конструктивные недостатки — большой вес и невысокий КПД. Значительная часть энергии преобразуется в тепло, поэтому проблема перегрева таких устройств, особенно мощных, является одной из самых актуальных.

Даже принцип работы импульсных источников питания для новичков можно объяснить довольно просто: он тоже основан на использовании трансформатора, но работает на очень высоких частотах, порядка 1-100 кГц и имеет гораздо меньшие габариты и габариты масса. Это, в свою очередь, упрощает удаление тепла. Функция фильтрации / стабилизации выходного напряжения упрощается, поскольку для этой задачи используются конденсаторы небольшой емкости.

Но у силовых цепей инверторов есть и недостатки: сложные схемы, чувствительность к электромагнитным помехам. Что касается стоимости, то она вполне сопоставима с трансформаторными устройствами.

Принцип работы импульсного (инверторного) блока питания

Давайте теперь посмотрим, как работает импульсный блок питания на полупрофессиональном уровне.

Основные функции устройства заключаются в выпрямлении характеристик первичного напряжения с последующим преобразованием в непрерывную последовательность импульсов, за которыми следует частота, значительно превышающая номинальные 50 Гц. Это как раз главное отличие от трансформаторного блока питания. В инверторных устройствах выходное напряжение напрямую влияет на работу устройства через обратную связь. Используя импульсные характеристики, можно более точно настроить стабилизацию выходного напряжения, тока и других параметров. Фактически, импульсный источник питания может использоваться как стабилизатор напряжения и тока. В этом случае полярность и количество выходных характеристик могут варьироваться в широких пределах, в зависимости от конкретной конструкции ИБП.

Импульсный блок питания ПК

Схематично опишем принцип работы импульсного блока питания.

На первый блок прибора — выпрямитель — подается бытовое напряжение 220 В, на трансформаторе сглаживается амплитуда напряжения, за что отвечает фильтр на основе конденсатора конденсаторного типа. Следующим шагом является исправление синусоидального сигнала с помощью диодного моста. Впоследствии синусоидальное напряжение преобразуется в высокочастотные импульсы, и можно использовать принцип гальванической развязки напряжения питания от выходного напряжения.

Если такая гальваническая развязка присутствует, высокочастотные сигналы возвращаются трансформатору, который использует их для гальванической развязки. Для повышения КПД трансформатора используется такой прием за счет увеличения его рабочей частоты.

Принцип обратной связи инвертора реализуется через взаимодействие 3-х основных цепочек:

  • шИМ-контроллер отвечает за модуляцию ширины импульса входного напряжения;
  • второй элемент — каскад силовых ключей, в который входят транзисторы, собранные по специальным схемам (схема с двухтактной средней точкой, мост или полумост);
  • третья цепь — это сам импульсный трансформатор.

Принцип работы импульсного блока питания

Разновидности импульсных БП

В целом классификация ИБП может включать множество схем, но мы рассмотрим только две:

  • бестрансформаторные импульсные устройства;
  • трансформатор ИБП.

Мы уже рассмотрели, чем импульсный инвертор отличается от обычного трансформаторного блока питания. Теперь мы можем поговорить о различиях между этими двумя типами импульсных преобразователей.

В бестрансформаторных ИБП высокочастотные импульсы следуют за выходным выпрямителем, а затем за последним компонентом, сглаживающим фильтром. Главное достоинство такой схемы — простота конструкции. Важную роль здесь играет генератор ширины импульса, представляющий собой специализированную микросхему.

Главный недостаток таких устройств — отсутствие гальванической развязки, то есть обратной связи от цепи питания. По этой причине уровень безопасности бестрансформаторных блоков не так высок: существует опасность поражения электрическим током высокой частоты. Поэтому блоки питания этого типа делаются маломощными.

Чаще встречаются трансформаторные блоки питания. Здесь есть гальваническая развязка: высокочастотные импульсы подаются на трансформаторный блок, на первичную обмотку, а количество вторичных обмоток не ограничено. Другими словами, может быть много выходных напряжений, причем каждая вторичная обмотка содержит свою собственную пару выпрямитель-фильтр. К эффективности такого импульсного блока питания претензий нет, уровень безопасности высокий. Неслучайно этот тип используется в компьютерах. Здесь напряжение 5/12 В используется для подачи сигнала на трансформатор для гальванической развязки, так как уровень точности и стабильности очень высок для функционирования компонентов ПК.

Среди основных отличий импульсного блока питания от классического трансформаторного блока питания — использование высокочастотных импульсов вместо стандартных 50 Гц. Это решение позволило использовать ферромагнитные сплавы вместо электрических типов железа. Они обладают высокой коэрцитивной силой, что позволило значительно уменьшить вес и габариты трансформаторной части и всего устройства.

Использование инверторных схем значительно упростило задачу преобразования напряжения и тока, хотя схематически ИБП намного сложнее трансформаторных аналогов.

Как осуществлять ремонт устройств?

Чаще всего перегоревшие предохранители страдают от блоков питания. Они расположены рядом с конденсаторами. Ремонт импульсных блоков питания следует начинать со снятия защитной крышки. Далее важно проверить целостность микросхемы. Если дефектов на нем не видно, можно проверить тестером. Для снятия предохранителей необходимо сначала отключить конденсаторы. Так что их можно без проблем удалить.

Чтобы убедиться в целостности этого устройства, осмотрите его основание. Перегоревшие предохранители внизу имеют темное пятно, указывающее на повреждение модуля. Чтобы заменить этот элемент, нужно обратить внимание на его маркировку. Так что в магазине электроники вы можете купить аналогичный товар. Установка предохранителя производится только после устранения конденсата. Другой распространенной проблемой в источниках питания считается выход из строя трансформаторов. Это ящики, в которые устанавливаются катушки.

Когда на устройство подается очень высокое напряжение, они не сопротивляются. В результате нарушается целостность обмотки. Ремонт импульсных блоков питания при такой поломке невозможен. В этом случае трансформатор, как и предохранитель, можно только заменить.

Чем отличается от трансформаторного блока питания

И трансформаторный (линейный), и импульсный (инверторный) источники питания выдают постоянное напряжение на выходе. Кроме того, последние имеют меньшие габариты, более стабильны в работе, часто дешевле, к тому же напряжение более качественное и не зависит от параметров исходной синусоиды (а в наших сетях оно далеко не идеальное). Так почему же используются и трансформаторы, и импульсы? Чтобы понять, нужно знать, в чем разница между трансформатором и импульсным блоком питания. А для этого нужно понимать устройство и принципы работы. Исходя из этого, можно понять основные свойства.

Блок-схемы трансформаторов и импульсных источников питания

Блок-схемы трансформаторов и импульсных источников питания

Как работает трансформаторный блок питания

В линейном блоке питания основное преобразование происходит с помощью трансформатора. Его первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение, вторичная обычно понижается. В случае с классическим трансформатором переменного тока, предложенным П. Яблочковым, он преобразует синусоиду входного напряжения в такое же синусоидальное напряжение на выходе вторичной обмотки.

Следующий блок — выпрямитель, на котором сглаживается синусоида, она превращается в пульсирующее напряжение. Этот блок выполнен на основе выпрямительных диодов. Диод может быть автономным, может быть установлен диодный мост (мостовая схема). Разница между ними заключается в частоте импульсов, которые мы получаем на выходе. Далее идут стабилизатор и фильтр, которые придают выходному напряжению желаемый уровень и форму. На выходе у нас постоянное напряжение.

Простейший линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Простейший линейный блок питания с двухполупериодным выпрямителем без стабилизации

Главный недостаток линейных блоков питания — их большие размеры. Они зависят от размера трансформатора: чем больше требуется мощность, тем больше размер блока питания. Еще нам нужен стабилизатор, который регулирует выходное напряжение, а это еще больше увеличивает размер, снижает КПД. Однако это устройство не создает потенциальных проблем с помехами для расположенного поблизости оборудования.

Устройство импульсного блока питания и его принцип работы

В импульсном блоке питания преобразование более сложное. На входе находится сетевой фильтр, задача которого не допускать попадания в сеть генерируемых этим устройством высокочастотных колебаний. Они могут повлиять на работу ближайших устройств. Сетевой фильтр в бюджетных моделях не всегда стоит того, и часто это проблема нестабильной работы некоторых устройств, которую мы часто относим к «падению напряжения в сети».

Далее идет фильтр сглаживания, который выпрямляет синусоидальную волну. Полученное на его выходе пилообразное напряжение поступает на инвертор, преобразуясь в импульсы с положительной и отрицательной полярностью. Их параметры (частота и рабочий цикл) задаются через блок управления. Частоту обычно выбирают высокую — от 10 кГц до 50 кГц. Именно наличие фазы преобразования — генерации импульсов — дало название этому типу преобразователя.

Блок-схема SMPS с осциллограммами напряжения в ключевых точках

Блок-схема SMPS с осциллограммами напряжения в ключевых точках

Высокочастотные импульсы отправляются на трансформатор, который гальванически изолирован от сети. Эти трансформаторы имеют небольшие размеры, так как с увеличением частоты сердечников нужно все меньше и меньше. Кроме того, сердечник может состоять из ферромагнитных пластин (в линейных источниках питания он должен быть из более дорогой электромагнитной стали).

На выходном выпрямителе биполярные импульсы превращаются в положительные, а выходной фильтр формирует постоянное напряжение на базе. Главное преимущество ИБП в том, что есть обратная связь, позволяющая настроить работу устройства так, чтобы выходное напряжение было близко к идеальному. Это обеспечивает стабильные выходные параметры, независимо от того, что мы имеем на входе.

Достоинства и недостатки импульсных блоков питания

Для начала не сразу понятно, почему лучше использовать импульсные, а не линейные выпрямители. Дело не только в размерах и расходе материала. Дело в более стабильных параметрах, обеспечиваемых импульсными приборами. Качество выходного напряжения не зависит от качества сетевого напряжения. Это актуально для наших сетей. Но не только. Это свойство позволяет использовать импульсный блок питания в сети разных стран. Ведь параметры сетевого напряжения в России, Англии и некоторых странах Европы разные. Не кардинально, но напряжение и частота разные. И зарядные устройства работают в каждом из них — это практично и удобно.

Размер тоже имеет значение

Размер тоже имеет значение

Кроме того, импульсные устройства имеют высокий КПД, до 98%, что не может не радовать. Потери минимальны, при этом трансформаторы тратят много энергии на непродуктивный нагрев. Также ИБП дешевле, но надежнее. Небольшие по размеру они позволяют получить широкий диапазон мощностей.

Но у импульсного блока питания есть серьезные недостатки. Во-первых, они создают высокочастотные помехи. Это вынуждает устанавливать на входе линейные фильтры. И они тоже не всегда справляются с задачей. Поэтому некоторые особо требовательные к качеству электроэнергии устройства работают только с линейными блоками питания. Второй недостаток — импульсный источник питания имеет минимальное ограничение нагрузки. Если подключенное устройство имеет мощность ниже этого предела, схема просто не будет работать.

Сфера применения импульсного блока питания

В большинстве случаев вместо традиционных трансформаторов с полупроводниковыми стабилизаторами используются импульсные преобразователи напряжения. При одинаковой мощности инверторы отличаются уменьшенными размерами и массой, высокой надежностью и, прежде всего, большей эффективностью и способностью работать в широком диапазоне входных напряжений. А при сопоставимых габаритах максимальная мощность инвертора во много раз выше.

В такой области, как преобразование постоянного напряжения, переключающие источники практически не имеют альтернативных замен и могут работать не только для понижения напряжения, но и для генерирования более высокого напряжения, чтобы организовать изменение полярности. Высокая частота преобразования значительно облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

Небольшие инверторы на специализированных интегральных схемах используются в качестве зарядных устройств для всевозможных гаджетов, а их надежность такова, что срок службы зарядного устройства может в несколько раз превышать время работы мобильного устройства.

Драйверы питания на 12 В для включения светодиодных источников света также построены по импульсной схеме.

Как работает импульсный блок питания электронных устройств

Мы знаем, что в сети 220 В или 230 В f составляет 50 Гц, поэтому возникает вопрос: как ее увеличить? А делается это следующим образом. Сначала с помощью обычного диодного моста выпрямляется переменное напряжение 220 В, 50 Гц. Затем он выравнивается большим электролитическим конденсатором. Кроме того, сглаженное напряжение снова преобразуется в переменное напряжение, но с гораздо более высокой частотой. В современных импульсных источниках питания он составляет порядка мегагерц. И уже это высокочастотное напряжение подается на обмотку трансформатора. Это дает возможность значительно уменьшить его габариты при сохранении прежнего значения электродвижущей силы. Затем пониженное напряжение вторичной обмотки снова выпрямляется, сглаживается и стабилизируется.

Постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью инвертора. Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Следовательно, необходимо установить индуктивность на входе первого выпрямителя, чтобы уменьшить уровень пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для противодействия электромагнитным импульсам ИБП полностью экранирован.

Схема импульсного источника питания
именно из-за этой ряби ИБП не используются в аудиотехнике. В первую очередь это касается усилителей звука. Наряду с полезным аудиосигналом они также могут усиливать помехи или пульсации, создаваемые полупроводниковыми устройствами, работающими в основных режимах. В конечном итоге это негативно скажется на качестве звука.

Сечение провода тр-па еще рассчитывается на аналогичный ток. Однако электротехническая сталь не используется в качестве магнитопровода, так как на высоких частотах возникают большие потери энергии, вызванные действием вихревых токов. Поэтому используются магнитные материалы с максимально возможным электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различные типы магнитодиэлектриков.

Схемотехника источников питания SMPS

Так что надо практиковаться. В зависимости от требуемой выходной мощности используются разные типы источников питания. Рассмотрим виды трансформаторных схем

Обратноходовый преобразователь

На следующей диаграмме показаны основные формы сигналов тока и напряжения для обратноходового трансформатора.

Базовая схема обратного хода с трансформатором

В первой фазе цикла переключатель подключает катушку индуктивности L непосредственно к входному напряжению. Благодаря постоянному входному напряжению Ue через катушку индуктивности протекает линейно возрастающий ток.

На этой фазе диод D заблокирован. Когда кнопка S размыкается, полярность катушки индуктивности меняется на обратную, так что диод проводит ток, и энергия, накопленная в катушке индуктивности, передается нагрузочному конденсатору CLi R1. Стартер действует как источник питания. Следовательно, регулируя время зарядки до заданной частоты, можно изменить энергию, запасенную в стартере.

Чтобы добиться гальванической развязки между входом и выходом схемы, индуктивность заменяется трансформатором. Этот элемент действует как промежуточный накопитель энергии, так что цепь нагрузки может использовать энергию, запасенную в трансформаторе, и, следовательно, отсутствует прямая нагрузка на источник питания.

Условием сохранения энергии является то, что сердечник трансформатора имеет воздушный зазор или изолирующую прокладку между двумя половинами сердечника (которая имеет тот же эффект, что и воздушный зазор в середине сердечника), но с использованием воздушного зазора посередине сердечника обеспечивает лучшую обратную связь между обмотками.

Преобразователи прямоходового типа

На рисунке представлена ​​принципиальная схема преобразователя прямого типа. Когда переключатель S замкнут, линейно возрастающий ток течет через катушку непосредственно к конденсатору Ca и к нагрузке R1. На этом этапе энергия передается одновременно индуктору и нагрузке. Диод D заблокирован.

Базовая схема линейного источника питания

Когда ключ открывается, магнитное поле индуктивности прерывается. Полярность индуктивности меняется на противоположную при включении диода. Энергия от катушки индуктивности проходит через диод к конденсатору и нагрузке. Поскольку передача энергии в выходной контур происходит даже при замкнутом переключателе, тип этого трансформатора называется прямым. Как и в случае с обратноходовыми трансформаторами, энергия, запасенная в индуктивности в этом типе источника питания, может варьироваться с различным временем переключения.

Прямой источник питания с трансформатором

На этой схеме показан источник питания прямого типа с трансформатором для разделения и преобразования сетевого напряжения. Благодаря использованию сердечника без воздушного зазора между первичной и вторичной обмотками поддерживается постоянный магнитный контакт. Но сбор и сглаживание выходного тока необходимо реализовать в отдельной катушке индуктивности Ls для каждого выходного напряжения отдельно. Энергия, запасенная трансформатором во время фазы проводимости, передается на L1, Dl, Ce в фазе блокировки. Диод открывается при изменении полярности индуктивности накопителя энергии.

Двухтактные преобразователи

Двухтактные трансформаторы фактически состоят из двух отдельных соединенных между собой трансформаторов.

Принципиальная схема блока питания двухтактного типа

Выключатели S1 и S2 поочередно подключают первичную обмотку к источнику Ue. По сравнению с прямым и обратным трансформатором, эта конфигурация позволяет использовать полную петлю гистерезиса. Благодаря биполярной системе можно получить удвоенную мощность при том же размере сердечника.

Двухтактный преобразователь

Даже при больших изменениях нагрузки двухтактный трансформатор генерирует симметричное выходное напряжение, что позволяет напрямую использовать переменное напряжение без предварительного выпрямления, например, в галогенном освещении.

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Блок-схема генератора импульсов сложнее, чем у трансформаторного источника. Чтобы понять принцип работы импульсного блока питания в целом, необходимо отдельно разобрать работу каждого узла.

Описание работы и импульсного питания устройства
Блок-схема импульсного блока питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузки в случае неисправности источника питания и от импульсных помех, возникающих при работе устройства. Например, рассмотрим фильтр и защиту промышленного компьютера SMPS.

Описание работы и импульсного питания устройства
Входные цепи генератора импульсов MAV-300W-P4.

Предохранитель на 5 А перегорает при превышении номинального тока в аварийной ситуации в источнике питания. Для защиты от перенапряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме это не влияет на работу устройства. При скачке сети от отверстия резко увеличивается ее сопротивление, увеличивается ток через варистор. Это приведет к срабатыванию предохранителя.

Термистор THR1 отрицательного сопротивления изначально имеет высокое сопротивление и ограничивает ток, протекающий для зарядки конденсаторов фильтра выпрямителя высокого напряжения. Затем термистор нагревается протекающим по нему током, его сопротивление уменьшается, но к тому времени конденсаторы уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазная индуктивность FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Выпрямитель высокого напряжения обычно строится по традиционной двухполупериодной мостовой схеме и не имеет особых характеристик. Если в преобразователе используется полумостовая схема, фильтр состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов: так формируется средняя точка с напряжением, равным половине напряжения питания.

Описание работы и импульсного питания устройства
Участок схемы генератора импульсов с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и емкостным делителем напряжения C1-C2.

Иногда резисторы ставят параллельно конденсаторам. Они нужны для разгрузки контейнеров после отключения электроэнергии.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых переключателях (часто на транзисторах). Открывая и закрывая ключи, они подают на обмотку импульсы напряжения. Этот метод производит своего рода переменное напряжение (униполярное), которое можно обычным способом преобразовать в напряжение другого уровня.

Описание работы и импульсного питания устройства
Схемы транзисторных инверторов.

Простейшая схема преобразователя постоянного тока в импульсный является несимметричной. Для его реализации понадобится минимум элементов. Недостаток такого агрегата в том, что с увеличением мощности резко увеличиваются габариты и вес трансформатора. Это связано с принципом работы такого преобразователя. Он работает в двух циклах: во время первого открыт транзистор, энергия накапливается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго накопленная энергия передается нагрузке. Чем больше мощность, тем больше индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (в результате увеличивается количество витков во вторичных обмотках).

Двухтактная схема со средней точкой (push-pull) лишена этого недостатка. Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые попеременно подключены ключами к отрицательной шине. На рисунке красная стрелка показывает направление тока для одного цикла, а красная стрелка — для другого. Обратной стороной является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичной обмотке, а также наличие перенапряжений в момент переключения. Их амплитуда может достигать двукратного значения питающего напряжения, поэтому необходимо использовать транзисторы с соответствующими параметрами. Назначение этой схемы — преобразователи низкого напряжения.

При перемычке инвертора выбросы отсутствуют. Мост состоит из четырех транзисторов, диагональ которых включает первичную обмотку трансформатора. Открытые транзисторы попарно:

  • первая петля — вверху слева и внизу справа;
  • вторая петля — нижний левый и верхний правый.

Обмотка подключается к плюсу источника питания одним выводом, затем другим. Недостаток — использование 4 транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом считается использование полумостовой схемы. Здесь один конец первичной обмотки включен, а другой подключен к делителю из двух конденсаторов. В этой схеме также нет скачков напряжения, используются всего два транзистора. Недостатком такого решения является то, что на первичную обмотку подается только половина питающего напряжения. Вторая проблема заключается в том, что при создании мощных источников увеличивается емкость конденсаторов делителя и их стоимость становится нецелесообразной.

Если ИИП построен по схеме с настройкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев управление ключами осуществляется не напрямую микросхемой ШИМ, а через промежуточный узел — драйвер. Это связано с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.

Описание работы и импульсного питания устройства

Фрагмент схемы промышленного импульсного источника — полумостовой инвертор на транзисторах Q1, Q2 управляется через промежуточный узел на транзисторах Q8, Q9 и трансформатор T1.

В схемах всех преобразователей используются как полевые, так и биполярные транзисторы, а также IGBT, сочетающие в себе свойства обоих типов.

Выпрямитель

Преобразованное напряжение во вторичных обмотках необходимо выпрямить. Если требуется выходное напряжение выше +12 В, можно использовать обычные мостовые схемы (например, в высоковольтной части).

Описание работы и импульсного питания устройства
Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и двухполупериодного мостового выпрямителя.

Если напряжение низкое, полезно использовать двухполупериодные схемы средней точки. Их преимущество в том, что падение напряжения происходит только на одном диоде за каждый полупериод. Это уменьшает количество витков в обмотке. С этой же целью используются диоды Шоттки и группы на них. Недостатком такого решения является более сложная конструкция вторичной обмотки.

Описание работы и импульсного питания устройства
Схема выпрямителя со средней точкой и прохождением через нее тока.

Фильтр

Выпрямленное напряжение необходимо фильтровать. Для этого используются как традиционные конденсаторы, так и катушки индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели небольшие, легкие, но работают эффективно.

Описание работы и импульсного питания устройства
Схема фильтрующих цепей выходных каналов импульсного блока питания ЭВМ.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи используются для стабилизации и регулирования выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник не стабилизирован, у него нет этих цепей. Для устройств со стабилизацией по току или напряжению эти схемы выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью регулирования). Для регулируемых источников (лаборатория и т.д.) в обратную связь включены элементы управления для оперативной корректировки параметров.

Блок питания компьютера также имеет схему управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и так далее).

Схемотехника блоков питания персональных компьютеров. Часть 1

Принцип работы импульсного блока питания для чайников

Практика ремонта электроники в реальной жизни

Одним из важнейших строительных блоков персонального компьютера, конечно же, является импульсный источник питания.

Для более удобного изучения работы агрегата имеет смысл рассмотреть каждый его узел отдельно, особенно учитывая, что все узлы импульсных источников питания от разных компаний практически одинаковы и выполняют одинаковые функции.

Все блоки питания рассчитаны на подключение к однофазной сети переменного тока напряжением 110/230 вольт и частотой 50-60 герц. Блоки, импортированные на частоту 60 герц, отлично работают в домашних сетях.

Основной принцип работы импульсных источников питания заключается в выпрямлении сетевого напряжения с последующим преобразованием его в высокочастотное переменное напряжение прямоугольной формы, которое понижается трансформатором до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, основную часть схемы любого компьютерного блока питания можно разделить на несколько блоков, производящих определенные электрические преобразования. Перечислим эти узлы:

  • Сетевой выпрямитель. Исправьте переменное напряжение (110/230 вольт).
  • Преобразователь высокой частоты (инвертор). Преобразует постоянное напряжение, полученное выпрямителем, в высокочастотное прямоугольное напряжение. Понижающий импульсный трансформатор мощности также называют высокочастотным преобразователем. Понижает высокочастотное переменное напряжение от преобразователя до напряжений, необходимых для питания электронных компонентов компьютера.
  • Узел управления. Это «мозг» блока питания. Отвечает за генерацию управляющих импульсов для мощного инвертора, а также проверяет правильность работы источника питания (стабилизация выходных напряжений, защита от коротких замыканий на выходе и т.д.).
  • Промежуточный этап усиления. Он служит для усиления сигналов микросхемы ШИМ-контроллера и подачи их на мощные ключевые транзисторы инвертора (высокочастотного преобразователя).
  • Выходные выпрямители. С помощью выпрямителя происходит выпрямление — преобразование переменного напряжения низкого напряжения в постоянное. Здесь стабилизируется и фильтруется выпрямленное напряжение.

Это основные части блока питания компьютера. Их можно найти в любом импульсном блоке питания, от простейшего зарядного устройства для сотового телефона до мощных сварочных инверторов. Отличия только в основе элемента и реализации схем устройства.

Довольно упрощенную конструкцию и взаимосвязь электронных компонентов блока питания компьютера (формат АТ) можно представить следующим образом.

Все эти части схемы будут рассмотрены позже.

Рассмотрим принципиальную схему импульсного блока питания для одиночных узлов. Начнем с сетевого выпрямителя и фильтра.

Сетевой фильтр и выпрямитель

Отсюда собственно и начинается кормление. Со шнуром питания и вилкой. Вилка используется, естественно, по «европейскому стандарту» с третьим заземляющим контактом.

Следует отметить, что многие недобросовестные производители в целях экономии не устанавливают конденсатор С2 и варистор R3, а иногда и индуктивность фильтра L1. То есть места есть, есть и отпечатанные треки, но подробностей нет. Ну это как здесь.

Как говорится: «Без комментариев “.

При ремонте рекомендуется приводить фильтр в желаемое состояние. Резисторы R1, R4, R5 служат разрядниками для конденсаторов фильтра после отключения устройства от сети. Термистор R2 ограничивает амплитуду зарядного тока конденсаторов C4 и C5, а варистор R3 защищает источник питания от скачков напряжения в сети.

Особого внимания заслуживает переключатель S1 («230/115»). Когда этот переключатель замкнут, блок питания может работать от сети с напряжением 110… 127 вольт. В результате выпрямитель работает по схеме удвоения напряжения, а его выходное напряжение вдвое превышает напряжение сети.

Если необходимо, чтобы блок питания работал от сети 220… 230 вольт, выключатель S1 размыкается. В этом случае выпрямитель работает по классической схеме диодного моста. При такой схеме переключения удвоения напряжения не происходит и в этом нет необходимости, так как агрегат работает от сети 220 вольт.

Некоторые блоки питания не имеют переключателя S1. У других он расположен на задней крышке корпуса и отмечен предупреждающей надписью. Нетрудно догадаться, что если замкнуть S1 и включить питание в сеть 220 вольт, это закончится катастрофой. При удвоении выходного напряжения оно достигнет значения около 500 вольт, что приведет к выходу из строя элементов схемы инвертора.

Поэтому стоит уделить больше внимания переключателю S1. Если предполагается использование блока питания только совместно с сетью 220 вольт, его вообще можно удалить из схемы.

В общем, все компьютеры поступают в нашу торговую сеть уже адаптированными к родному напряжению 220 вольт. Переключатель S1 отсутствует или переведен на работу от сети 220 вольт. Но если есть возможность и желание, то лучше проверить. Выходное напряжение, подаваемое на следующую ступень, составляет примерно 300 вольт.

вы можете повысить надежность блока питания, сделав небольшое обновление. Достаточно подключить варисторы параллельно резисторам R4 и R5. Варисторы следует выбирать на номинальное напряжение 180… 220 вольт.

Такое решение сможет сэкономить электроэнергию, если выключатель S1 случайно замкнется и агрегат будет включен в сеть 220 вольт. Дополнительные варисторы ограничивают напряжение, и предохранитель FU1 перегорает.

В этом случае после несложного ремонта блок питания можно будет снова вводить в работу.

Конденсаторы C1, C3 и двухобмоточная индуктивность на ферритовом сердечнике L1 образуют фильтр, который может защитить компьютер от помех, которые могут проникнуть в сеть, и в то же время этот фильтр защищает сеть от шума, создаваемого компьютером.

Возможные неисправности сетевого выпрямителя и фильтра

Типичные неисправности выпрямителя — это выход из строя одного из «мостовых» диодов (редко), хотя бывают случаи, когда перегорает весь диодный мост или потеря электролитических конденсаторов (гораздо чаще).

Внешне для этого характерен вздутый корпус и протечки электролита. Пятна очень заметны. При выходе из строя хотя бы одного из диодов выпрямительного моста обычно перегорает предохранитель FU1.

При ремонте цепей выпрямителя и фильтра помните, что в этих цепях присутствует опасное для жизни высокое напряжение! Соблюдайте технику электробезопасности и не забудьте принудительно разрядить высоковольтные электролитические конденсаторы фильтра перед началом работы!

Схема ИБП

Рассмотрим, как не работает сложнейший импульсный блок питания в самой распространенной конфигурации:

  • фильтр подавления шума;
  • диодный выпрямитель;
  • сглаживающий фильтр;
  • ЗАТЫКАТЬ;
  • силовой ключевой транзисторный замок;
  • трансформатор высокой частоты;
  • выпрямители;
  • групповые / индивидуальные фильтры.

Схема ИБП

В зону ответственности шумоподавляющего фильтра входит функция фильтрации шума, источником которой является сам блок питания. Дело в том, что использование мощных полупроводниковых компонентов часто приводит к формированию кратковременных импульсов, наблюдаемых в широком диапазоне частот. Чтобы уменьшить их влияние на выходной сигнал, используются цепочки из специальных проходных конденсаторов, которые служат фильтром таких импульсов.

Назначение диодного выпрямителя — преобразование переменного напряжения на входе блока в постоянное напряжение на выходе. Возникающие паразитные пульсации сглаживаются фильтром, установленным далее по схеме.

Если коммутационное устройство включает в себя преобразователь постоянного напряжения, выпрямитель и цепочка фильтров будут излишними, так как входной сигнал будет сглажен в секции фильтра подавления шума.

Преобразователь ширины импульса (также называемый модулятором) — самая сложная часть устройства. Он выполняет несколько функций:

  • генерирует высокочастотные импульсы (от килогерц до сотен кГц);
  • по параметрам сигнала обратной связи корректирует характеристики выходной последовательности импульсов;
  • защищает схему от перегрузок.

При ШИМ импульсы отправляются на мощные ключевые транзисторы, чаще всего в мостовых / полумостовых схемах. Выводы ключевых транзисторов идут на первичную обмотку трансформаторного блока. В основе элемента используются транзисторы типа MOSFET или IGBT, которые отличаются от биполярных аналогов незначительным снижением напряжения в переходной части, а также более высокой скоростью. Это позволило снизить параметр рассеиваемой мощности при том же размере.

Что касается принципа действия импульсного трансформатора, то в нем используется тот же метод преобразования, что и в классических трансформаторных блоках питания. Единственное, но важное отличие состоит в том, что он работает на гораздо более высоких частотах. Это позволило при той же выходной мощности значительно уменьшить массу и габариты агрегата.

С вторичной обмотки трансформатора (напомним, их может быть несколько) на выходные выпрямители отправляется импульс. В отличие от аналога на входе блока, здесь диоды должны обеспечивать работу на высоких частотах. Лучше всего с этой задачей справляются диоды Шоттки. Они предназначены для обеспечения небольшой емкости pn-перехода и, как следствие, небольшого падения напряжения на высокой рабочей частоте.

Последний элемент схемы, выходной фильтр, ослабляет пульсации выпрямленного напряжения, подаваемого на вход. Поскольку это высокочастотные импульсы, нет необходимости использовать конденсаторы и катушки большой мощности.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

Правило №3: после выхода из фильтра напряжение подается на схему выпрямителя, которая в базовом исполнении состоит из диодного моста и электролитического конденсатора.

В процессе электрического преобразования форма синусоиды, состоящей из полуволн противоположного знака, сначала изменяется на сигнал положительного направления после диодной сборки, затем эти пульсации ослабляются до почти постоянного значения амплитуды 311 вольт.

Схема выпрямителя

Такой выпрямитель сетевого напряжения встроен в работу всех источников питания.

Источники

  • https://nastroyvse.ru/devices/raznoe/kak-rabotaet-impulsnyj-blok-pitaniya.html
  • https://FB.ru/article/191867/printsip-rabotyi-impulsnyih-blokov-pitaniya-shema-impulsnogo-bloka-pitaniya
  • https://elektroznatok.ru/info/elektronika/impulsnyj-blok-pitaniya
  • https://crast.ru/instrumenty/kak-rabotaet-impulsnyj-blok-pitanija-dlja
  • https://diodov.net/kak-rabotaet-impulsnyj-blok-pitaniya/
  • https://radioskot.ru/publ/nachinajushhim/impulsnye_bloki_pitanija_smps/5-1-0-1603
  • https://Zapitka.ru/pitanie/printsip-raboty-impulsnogo-bloka-pitaniya
  • https://electricdo.ru/princip-raboty-impulsnogo-bloka-pitaniya-dlya-chajnikov.html
  • https://ElectrikBlog.ru/impulsnye-bloki-pitaniya-printsipy-raboty-dlya-novichkov/

Оцените статью
Блог про электронику