3.1. СВ и фильтр
Для выпрямления сетевого однофазного напряжения используют одну из трех классических схем:
Каждой из них присущи достоинства и недостатки, которые определяют область применения.
Однополупериодная схема отличается простотой реализации и минимальным количеством полупроводниковых компонентов. Основными недостатками такого выпрямителя являются значительная величина пульсаций выходного напряжения (в выпрямленном присутствует лишь одна полуволна сетевого напряжения) и малый коэффициент выпрямления Кв. Он определяется соотношением среднего значения напряжения на выходе выпрямителя Uвых действующему значению фазного сетевого напряжения Uд. Для однополупериодной схемы Кв=0,45. Для сглаживания пульсаций на выходе такого выпрямителя требуются мощные фильтры.
Двухполупериодная схема со средней (нулевой) точкой требует удвоенного числа выпрямительных диодов, однако, этот недостаток в значительной мере компенсируется более низким уровнем пульсаций выпрямленного напряжения и ростом величины Кв до 0,9. Основным недостатком такой схемы для использования в бытовых условиях является необходимость организации средней точки сетевого напряжения, что подразумевает наличие сетевого (силового) трансформатора. Его габариты и масса оказываются несовместимыми с идеей малогабаритного импульсного источника.
Двухполупериодная мостовая схема выпрямления имеет те же показатели по уровню пульсаций и Кв, что и схема со средней точкой, но не требует наличия сетевого трансформатора. Это компенсирует и главный недостаток – удвоенное количество выпрямительных диодов, как с точки зрения КПД, так и по стоимости.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения наилучшим решением является использование емкостного фильтра. Его применение позволяет поднять величину выпрямленного напряжения до амплитудного значения сетевого (при Uд=220В Uампл=314В). Недостатками такого фильтра принято считать большие величины импульсных токов выпрямительных элементов, но критичным этот недостаток не является.
Выбор диодов выпрямителя осуществляется по величине среднего прямого тока Iпр и максимального обратного напряжения Uобр.
3.2. ВЧП – ключевой элемент с импульсным трансформатором.
ВЧП представляет собой однотактный или двухтактный ключевой преобразователь (инвертор) с импульсным трансформатором. Варианты схем ВЧП приведены на рисунке.
Однотактная схема при минимальном количестве силовых элементов и простоте реализации имеет недостатки:
а) трансформатор в схеме работает по частной петле гистерезиса, что требует увеличения его размеров и габаритной мощности;
б) для обеспечения мощности на выходе необходимо получить значительную амплитуду импульсного тока, протекающего через полупроводниковый ключ.
Схема нашла наибольшее применение в маломощных устройствах, где влияние указанных недостатков не столь значительно.
Двухтактная схема со средней точкой трансформатора (push-pull) свободна от недостатков однотактного варианта, но имеет собственные – усложненная конструкция трансформатора (требуется изготовление идентичных секций первичной обмотки) и повышенные требования к максимальному напряжению ключей. В остальном решение заслуживает внимания и широко применяется в импульсных источниках питания.
Двухтактная полумостовая схема по параметрам схема аналогична схеме со средней точкой, но не требует сложной конфигурации обмоток трансформатора. Собственным недостатком схемы является необходимость организации средней точки фильтра выпрямителя, что влечёт двухкратное увеличение количества конденсаторов.
Благодаря простоте реализации схема наиболее широко используется в импульсных источниках питания мощностью до 3 кВт. При больших мощностях стоимость конденсаторов фильтра становится неприемлемо высокой по сравнению с полупроводниковыми ключами инвертора и наиболее выгодной оказывается мостовая схема.
Двухтактная мостовая схема по параметрам аналогична другим двухтактным схемам, но лишена необходимости создания искусственных «средних точек». Платой за это становится удвоенное количество силовых ключей, что выгодно с экономической и технической точек зрения для построения мощных импульсных источников.
3.3. ШИМ-контроллер и обратная связь.
Сам по себе ключевой элемент, выполненный на полевых или биполярных транзисторах, не может выработать прямоугольные импульсы. Для этого он должен быть составным элементом автогенератора или управляться неким устройством, подающим на него такие импульсы.
Для более близкого знакомства с реализацией данной функции придётся рассмотреть более сложные (и более близкие к реальным) схемы.
Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора VT1, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатораT1, вместе образующих схему ВЧП. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей.
Первый выполняется по схеме импульсного автогенератора. К примеру, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ), например:
Телевизор «Садко-61ТЦ-423Д» - единственный ретро-телевизор в моём музее, который использовался по прямому назначению, как демонстрационный монитор для компьютерного класса КУВТ-86 и для просмотра видео с кассетного видеомагнитофона «Электроника-ВМ12».
Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 20 до 60 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего БП будут достаточно компактны, что является немаловажным фактором при создании современной аппаратуры.
Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена ниже:
Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через СФ подается на СВ, где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 импульсного трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1. При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к увеличению магнитного потока в сердечнике трансформатора и возникновению во вторичной обмотке W2 ЭДС индукции. В итоге на выходе диода VD появится положительное напряжение.
При этом, если увеличивать длительность импульса, приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к. энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, можно изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1 и осуществлять, таким образом, стабилизацию выходных напряжений. Единственное, что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ-контроллер. Это, сам по себе довольно сложный элемент (в принципе, как и любая ИМС), в состав которого входят: задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая управляет длительностью импульса.
Пример формирования ШИМ-последовательностей:
Скважность импульсов определяется отношением периода колебаний к длительности импульса S=T/tимп. Кстати, об импульсах, скважности и т.п. см. мои статьи из цикла «Мультивибратор» в разделе РАДИОбиблиотека.
Для А: S=0,5;
для В: S<0,5;
для C: S>0,5.
Обращаю внимание, что во всех случаях период T=const, а, значит, и частота f=const.
Импульсы такого типа формируются на выходе ШИМ-контроллера и поступают на базу VT1.
Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ-контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь обратной связи (или цепь слежения), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведёт к увеличению интенсивности излучения светодиода, а, следовательно, уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (они входят в состав оптопары U1). Это, в свою очередь, приведёт к увеличению падения напряжения на резисторе R2 (включен последовательно фототранзистору) и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ-контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ-контроллера, увеличивать длительность импульса (вариант С на диаграмме) до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный (вариант В на диаграмме).
В ИБП используются два принципа реализации обратной связи (цепей слежения) – «непосредственный» и «косвенный». Вышеописанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя.
При «косвенном» методе напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора:
Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ-контроллера.
Представим ситуацию, когда в нагрузке ИБП возникает КЗ. В этом случае вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ-контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу этого транзистора из строя. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк, протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов и блок питания перейдет в режим защиты или, другими, словами отключится.
4. Схемы разных ИБП.
Без комментариев приведу несколько схем ИБП разной степени сложности и на разной элементной базе. При желании Вы легко сможете найти их в сети.
Эти схемы приведены «для тренировки», чтобы, рассматривая их, можно было найти основные элементы, присущие всем ИБП, независимо от конкретной, так сказать, реализации. Ну и сравнить схемные решения и элементную базу.
5. Реальный ИБП.
Однажды в моём компьютерном классе перестал работать коммутатор ЛВС «D-Link DES-1016D».
Как выяснилось, причина была в неисправности его ИБП, а точнее – в элементах питания ШИМ-контроллера.