Co to jest zasilacz impulsowy i czym różni się od konwencjonalnego analogu

W wielu urządzeniach elektrycznych od dawna stosowana jest zasada wprowadzania energii wtórnej poprzez zastosowanie dodatkowych urządzeń, którym powierzono funkcję dostarczania energii elektrycznej do obwodów, które potrzebują energii z określonych rodzajów napięcia, częstotliwości, prądu ...

W tym celu tworzone są dodatkowe elementy: zasilaczeprzekształcanie napięcia jednego rodzaju w inny. Mogą to być:

• wbudowane w obudowę konsumenta, jak w wielu urządzeniach mikroprocesorowych;

• lub wykonane przez oddzielne moduły z przewodami łączącymi, podobne do konwencjonalnej ładowarki w telefonie komórkowym.

We współczesnej elektrotechnice dwie zasady konwersji energii dla odbiorców elektrycznych, oparte na:

1. zastosowanie analogowych urządzeń transformatorowych do przesyłania energii do obwodu wtórnego;

2. przełączanie zasilaczy.

Mają zasadnicze różnice w projekcie, pracują nad różnymi technologiami.

Zasilacze transformatorowe

Początkowo tworzone były tylko takie projekty. Zmieniają strukturę napięcia z powodu działania transformatora mocy zasilanego z sieci domowej o napięciu 220 woltów, w której amplituda harmonicznej sinusoidalnej maleje, a następnie wysyłana do prostownika składającego się z diod mocy, które zwykle są połączone zgodnie z obwodem mostka.

Następnie napięcie tętnienia jest wygładzane równolegle przez pojemność wybraną zgodnie z wartością dopuszczalnej mocy i jest stabilizowane przez obwód półprzewodnikowy z tranzystorami mocy.

Zmieniając położenie rezystorów strojenia w obwodzie stabilizacyjnym, można regulować napięcie na zaciskach wyjściowych.

Przełączanie zasilaczy (UPS)

Takie zmiany konstrukcyjne pojawiły się w dużej liczbie kilkadziesiąt lat temu i zaczęły cieszyć się rosnącą popularnością w urządzeniach elektrycznych z powodu:

• dostępność uzupełnienia wspólnej bazy żywiołów;

• niezawodność wykonania;

• możliwości rozszerzenia zakresu roboczego napięć wyjściowych.

Prawie wszystkie źródła zasilania przełączającego różnią się nieznacznie konstrukcją i działają zgodnie z jednym schematem typowym dla innych urządzeń.

Główne części zasilaczy obejmują:

• prostownik sieciowy złożony z: dławików wejściowych, filtra elektromechanicznego, który zapewnia odstrojenie od zakłóceń i izolację statyki za pomocą kondensatorów, bezpiecznika sieciowego i mostka diodowego;

• łączna zdolność filtrowania;

• kluczowy tranzystor mocy;

• oscylator główny;

• obwód sprzężenia zwrotnego wykonany na tranzystorach;

• transoptor;

• zasilacz impulsowy, z którego uzwojenia wtórnego emitowane jest napięcie w celu przekształcenia w obwód mocy;

• diody prostownicze obwodu wyjściowego;

• napięcie wyjściowe obwodu sterującego, na przykład 12 woltów z dostrajaniem wykonanym na transoptorze i tranzystorach;

• kondensatory filtrujące;

• dławiki mocy, pełniące rolę korekty napięcia i jego diagnostyki w sieci;

• złącza wyjściowe.

Przykład płytki elektronicznej podobnego zasilacza impulsowego z krótkim oznaczeniem podstawy elementu pokazano na rysunku.

Jak działa zasilacz impulsowy

Zasilacz impulsowy wytwarza ustabilizowane napięcie zasilające dzięki zastosowaniu zasad współdziałania elementów obwodu falownika.

Napięcie sieciowe o wartości 220 woltów jest dostarczane przez podłączone przewody do prostownika. Jego amplituda jest wygładzana przez filtr pojemnościowy ze względu na zastosowanie kondensatorów wytrzymujących piki rzędu 300 woltów i jest oddzielona przez filtr interferencyjny.

Wejście mostek diodowy prostuje przechodzące przez niego sinusoidy, które są następnie przekształcane przez obwód tranzystora w impulsy o wysokiej częstotliwości i prostokątne z określonym cyklem roboczym. Można je przekonwertować:

1. z galwanicznym oddzieleniem sieci zasilającej od obwodów wyjściowych;

2. bez dokonania takiego wypowiedzenia.

Izolowany zasilacz impulsowy

W takim przypadku sygnały o wysokiej częstotliwości są wysyłane do transformatora impulsowego, wykonując galwaniczną izolację obwodów. Ze względu na zwiększoną częstotliwość wzrasta wydajność stosowania transformatora, zmniejszone są wymiary jego obwodu magnetycznego i ciężar. Najczęściej ferromagnesy są stosowane do materiału takiego rdzenia, a stal elektryczna praktycznie nie jest stosowana w tych urządzeniach. Pomaga również zminimalizować ogólny projekt.

Jedna z wersji obwodu zasilacza impulsowego z izolacją transformatorów obwodów pokazano na rysunku.

W takich urządzeniach istnieją trzy połączone ze sobą łańcuchy:

1. kontroler PWM;

2. kaskada klawiszy zasilania;

3. transformator impulsowy.

Jak działa kontroler PWM?

Kontroler to urządzenie kontrolujące proces. W rozważanym zasilaczu jest to proces przekształcania modulacji szerokości impulsu. Opiera się na zasadzie generowania impulsów o tej samej częstotliwości, ale o różnych czasach przełączania.

Podaż pędu odpowiada oznaczeniu jednostki logicznej, a brak odpowiada zeru. Co więcej, wszystkie są równe pod względem wielkości i częstotliwości (mają ten sam okres oscylacji T). Czas trwania stanu włączenia urządzenia i jego związek ze zmianą okresu pozwalają kontrolować działanie obwodów elektronicznych.

Typowe zmiany w sekwencji SHIP pokazano na wykresie.

Sterowniki zwykle wytwarzają takie impulsy o częstotliwości 30 ÷ 60 kHz.

Przykładem jest kontroler wykonany na układzie TL494. Aby wyregulować częstotliwość generowania jego impulsów, stosuje się obwód składający się z rezystorów z kondensatorami.

Kaskada pracy klawiszy zasilania

Składa się z potężnych tranzystorów wybranych z modeli bipolarnych, polowych lub IGBT. Można dla nich stworzyć indywidualny system sterowania na innych tranzystorach małej mocy lub zintegrowanych sterownikach.

Klawisze zasilania można włączać na różne sposoby:

• chodnik;

• pół most;

• z punktem środkowym.

Transformator impulsowy

Uzwojenia pierwotne i wtórne zamontowane wokół rdzenia magnetycznego ferrytu lub alsifer mogą niezawodnie przenosić impulsy o wysokiej częstotliwości o częstotliwości do 100 kHz.

Ich pracę uzupełniają łańcuchy filtrów, stabilizatorów, diod i innych elementów.

Przełączanie zasilaczy bez izolacji galwanicznej

W zasilaczach impulsowych zaprojektowanych zgodnie z algorytmami wykluczającymi izolację galwaniczną nie stosuje się transformatora izolacyjnego wysokiej częstotliwości, a sygnał trafia bezpośrednio do filtra dolnoprzepustowego. Podobną zasadę działania obwodu pokazano poniżej.

Cechy stabilizacji napięcia wyjściowego

Wszystkie zasilacze impulsowe zawierają elementy, które zapewniają ujemne sprzężenie zwrotne z parametrami wyjściowymi. Dzięki temu mają dobrą stabilizację napięcia wyjściowego przy zmiennych obciążeniach i wahaniach w sieci zasilającej.

Metody wdrażania sprzężenia zwrotnego zależą od schematu użytego do zasilania zasilacza. Można to przeprowadzić w jednostkach pracujących w izolacji galwanicznej ze względu na:

1. pośredni wpływ napięcia wyjściowego na jedno z uzwojeń transformatora impulsowego wysokiej częstotliwości;

2. Zastosowanie transoptora.

W obu przypadkach sygnały te kontrolują cykl pracy impulsów dostarczanych na wyjście sterownika PWM.

W przypadku korzystania z obwodu bez izolacji galwanicznej sprzężenie zwrotne zwykle powstaje przez podłączenie rezystywnego dzielnika napięcia.

Zalety przełączania zasilaczy w porównaniu z konwencjonalnym analogiem

Porównując konstrukcje bloków z jednakowymi wskaźnikami wydajności, przełączanie zasilaczy ma następujące zalety:

1. zmniejszona waga;

2. zwiększona wydajność;

3. niższy koszt;

4. rozszerzony zakres napięć zasilania;

5. obecność wbudowanych zabezpieczeń.

1. Zmniejszoną masę i wymiary przełączających zasilaczy tłumaczy się przejściem z konwersji energii o niskiej częstotliwości przez potężne i ciężkie transformatory mocy z układami sterowania umieszczonymi na dużych grzejnikach chłodzących i pracującymi w stałym trybie liniowym na technologie konwersji i regulacji impulsów.

Zwiększając częstotliwość przetwarzanego sygnału, zmniejsza się pojemność filtrów napięcia i odpowiednio ich wymiary. Ich schemat prostowania jest również uproszczony do przejścia do najprostszej połowy fali.

2. W przypadku transformatorów niskiej częstotliwości znaczna część strat energii powstaje w wyniku uwalniania i rozpraszania ciepła podczas wykonywania transformacji elektromagnetycznych.

W blokach impulsowych największe straty energii powstają podczas występowania stanów nieustalonych podczas przełączania kaskad kluczowych kluczy. A przez resztę czasu tranzystory są w stabilnej pozycji: otwarte lub zamknięte. W tym stanie tworzone są wszystkie warunki dla minimalnej straty energii elektrycznej, gdy sprawność może wynosić 90 ÷ 98%.

3. Cena przełączania zasilaczy stopniowo maleje ze względu na ciągłe ujednolicanie podstawy elementu, które jest realizowane przez szeroką gamę w pełni zmechanizowanych przedsiębiorstw z robotami. Ponadto tryb działania elementów mocy oparty na kontrolowanych kluczach pozwala na zastosowanie mniej wydajnych elementów półprzewodnikowych.

4. Technologia impulsowa umożliwia zasilanie jednostek ze źródeł napięcia o różnych częstotliwościach i amplitudach. To rozszerza zakres ich zastosowania w warunkach pracy o różne standardy energii elektrycznej.

5. Dzięki zastosowaniu niewielkich modułów półprzewodnikowych w technologii cyfrowej możliwe jest niezawodne zintegrowanie zabezpieczeń w projekcie bloków impulsów, które kontrolują występowanie prądów zwarciowych, odłączają obciążenia na wyjściu urządzenia i inne tryby awaryjne.

W przypadku konwencjonalnych zasilaczy transformatorowych takie zabezpieczenia zostały utworzone na starej elektromechanicznej, przekaźnikowej podstawie półprzewodnikowej. Zastosowanie technologii cyfrowej w większości schematów nie ma teraz sensu. Wyjątkiem są skrzynki na żywność:

• obwody sterujące małej mocy złożonych urządzeń gospodarstwa domowego;

• nisko precyzyjne urządzenia sterujące o wysokiej dokładności, na przykład stosowane w urządzeniach pomiarowych lub do celów metrologicznych (cyfrowe liczniki energii elektrycznej, woltomierze).

Wady przełączania zasilaczy

Zakłócenia V / h

Ponieważ zasilacze impulsowe działają na zasadzie konwersji impulsów o wysokiej częstotliwości, w dowolnej konstrukcji wytwarzają zakłócenia przenoszone do otoczenia. Stwarza to potrzebę tłumienia ich na różne sposoby.

W niektórych przypadkach eliminacja szumów może być nieefektywna, co eliminuje stosowanie przełączania zasilaczy w przypadku niektórych rodzajów precyzyjnych urządzeń cyfrowych.

Ograniczenia mocy

Przełączanie zasilaczy ma przeciwwskazanie do pracy nie tylko przy wysokich, ale także niskich obciążeniach. Jeśli w obwodzie wyjściowym wystąpi gwałtowny spadek prądu poza minimalną wartością krytyczną, obwód rozruchowy może ulec awarii lub urządzenie wyemituje napięcie o zniekształconych parametrach technicznych, które nie mieszczą się w zakresie roboczym.

I w tym artykule przeczytaj o naprawa zasilaczy impulsowych.