Что такое импульсный блок питания и где применяется

Обновлено: 23.04.2021 12:51:21

Эксперт: Константин Борисович Поляков

Подавляющее большинство современной электроники работает на постоянном токе с малыми значениями силы и напряжения. Например, роутеры потребляют 12 вольт и 5 ампер, а смартфоны в большинстве случаев – 5 вольт и 2 ампера. Вот только в бытовой сети распространяется совершенно другой ток – переменный, с частотой 60 Гц, напряжением 220 вольт и (обычно) силой до 6 ампер.

Соответственно, для использования электронных приборов в бытовой сети этот ток надо как-то преобразовать. Для этих целей и используются блоки питания. Их задача – трансформация тока для придания ему определённых параметров напряжения, силы, а также частоты (превращения переменного в постоянный).

И если требуется выбрать подходящий блок питания либо соорудить самостоятельно, то чаще всего можно встретить два варианта – обычный, он же трансформаторный, и импульсный. И в чём разница, кроме конструкционной сложности, не всегда понятно. Поэтому в этой статье мы разберёмся, чем отличается импульсный блок питания от обычного, рассмотрим их особенности и отличия.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты. Этим он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов. Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока. То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Количество и полярность выходных значений может быть самым различным в зависимости от того, как работает импульсный блок питания.

Пульсации и помехи

Понятия пульсации и помехи достаточно близкие и могут иметь различное толкование. В данной статье под пульсациями понимаются колебания напряжения/тока вызванные естественными процессами. Под помехами понимаются колебания(выбросы) напряжения/тока вызванные различными «паразитными» явлениями. Например: колебания напряжения на выходе источника питания после выпрямителя и LC фильтра — пульсации. Всплески напряжения, вызываемые коммутацией ключей — помехи. Еще пример: колебания напряжения на выходе трансформаторного блока питания после выпрямителя и фильтра с частотой 100Гц — пульсации, наводимые полем рассеяния колебания напряжения в схеме — помехи. Грубо говоря помеха это неестественное (мешающее) колебание напряжения. Может быть такая классификация не совсем научная и правильная, но она позволяет упростить изложение материала.

Для начала разберемся с пульсациями. В случае с трансформаторным блоком питания пульсации выходного напряжения обычно выше, чем у импульсного (стабилизированного) блока питания. Это связанно с низкой частотой импульсов напряжения на выходе выпрямителя трансформаторного блока питания. Однако низкочастотные пульсации трансформаторного блока питания эффективно подавляются аналоговыми схемами (операционные усилители, линейные стабилизаторы и др.). Частота пульсаций импульсного блока питания составляет десятки и даже сотни килогерц. Степень подавления таких высокочастотных пульсаций по питанию аналоговых схем значительно меньше и они могут «проникать» на их выход. Например в схеме входного тракта АЦП на операционном усилителе пульсации по питанию могут накладываться на полезный сигнал. Для подавления высокочастотных пульсаций по цепям питания операционных усилителей часто используются RC фильтры: резистор сопротивлением 10-100 Ом и керамический конденсатор емкостью 0,1-10 мкФ. Если требуется уменьшить пульсации импульсного блока питания в силовой цепи, то используются дополнительные LC фильтры.

С помехами дело обстоит гораздо хуже. Если величина пульсаций более менее поддается анализу на этапе проектирования, то оценить величину помех сложно.

В случае с трансформаторным блоком питания помехи создаются полем рассеяния трансформатора, у тороидальных трансформаторов оно меньше у Ш образных больше. Особенно «страдают» от этих помех аналоговые схемы, обрабатывающие низкоуровневые сигналы (прецизионные мультметры, усилители звуковой частоты, радио аппаратура). Для подавления помех от низкочастотного трансформатора используются экранирующие оболочки (кожухи) из стали или жести.

В импульсных блоках питания основные помехи создаются при переключении транзисторов и восстановлении диодов. Подавление этих помех очень обширная и достаточно скучная тема. Гораздо полезнее будет рассмотреть топологии (типы) импульсных блоков питания по формированию помех.

Обратно-ходовые (flyback) импульсные блоки питания с точки зрения помех самый неудачный выбор. Эти импульсные блоки питания среди прочих наиболее подвержены возникновению мощных импульсных помех. К проектированию и выбору таких блоков питания нужно подходить более тщательно, особенно если его мощность составляет десятки ватт .

Полумостовые (half-bridge) и мостовые (full-brige) импульсные блоки питания с точки зрения помех наиболее удачный выбор. Блоки питания данной топологии обычно имеют меньший уровень помех. Частным случаем полумостовых и мостовых импульсных блоков питания являются резонансные схемы в которых коммутация транзисторов осуществляется при нулевом напряжении или токе, из-за чего возникающие помехи минимальны.

Прочие топологии импульсных блоков питания занимают промежуточное место между обратно-ходовыми и полумостовыми (мостовыми) схемами. Не стоит воспринимать эту классификацию буквально, величина помех сильно зависит от реализации и при неудачном исполнении резонансная схема может «фонить» сильнее качественно спроектированного и изготовленного flayback.

Итог. При выборе блока питания следует учитывать, что помех от импульсных блоков питания больше чем от трансформаторных, но помехи импульсных блоков более высокой частоты (обычно это десятки мегагерц) и малой продолжительности. Если помеху от трансформаторного блока можно услышать в прямом смысле, то помехи от импульсных блоков питания можно увидеть разве, что осциллографом. Это не значит, что помехи импульсных блоков питания можно игнорировать, сильный их уровень способен нарушить работу цифровых схем и создать помехи в радиоэфире. Но нужно учитывать, что во многих случаях незначительный уровень помех качественно спроектированного импульсного блока питания не оказывает существенного влияния на работу устройства ( и соседних устройств).

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

• бестрансформаторные;
• трансформаторные.

Первые отличаются тем, что импульсная последовательность поступает непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум комплектующих. Простой инвертор включает в себя специализированную интегральную микросхему — широтно-импульсный генератор.

Из недостатков бестрансформаторных устройств главным является то, что они не имеют гальванической развязки с питающей сетью и могут представлять опасность удара электрическим током. Также они обычно имеют небольшую мощность и выдают только 1 значение выходного напряжения.

Драйвер

Применение драйвера вместо трансформаторного блока обусловлено особенностями работы светодиода, как неотъемлемого элемента современного осветительного оборудования. Все дело в том, что любой светодиод является нелинейной нагрузкой, электрические параметры которого меняются в зависимости от условий работы.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика светодиода

Как видите, даже при незначительных колебаниях напряжения произойдет существенное изменение силы тока. Особенно явно такие перепады ощущают мощные светодиоды. Также в работе присутствует температурная зависимость, поэтому от нагревания элемента снижается падение напряжения, а ток при этом возрастает. Такой режим работы крайне негативно сказывается на работе светодиода, из-за чего он быстрее выходит со строя. Подключать его напрямую от сетевого выпрямителя нельзя, для чего и применяются драйверы.

Особенность светодиодного драйвера заключается в том, что он выдает одинаковый ток с выходного фильтра, несмотря на размер, подаваемого на вход напряжения. Конструктивно современные драйверы для подключения светодиодов могут выполняться как на транзисторах, так и на базе микросхемы. Второй вариант приобретает все большую популярность за счет лучших характеристик драйвера, более простого управления параметрами работы.

Ниже приведен пример схемы работы драйвера:

Рис. 4. Пример схемы драйвера

Здесь на вход выпрямителя сетевого напряжения VDS1 поступает переменная величина, далее выпрямленное напряжение в драйвере передается через сглаживающий конденсатор C1 и полуплечо R1 — R2 на микросхему BP9022. Последняя генерирует серию импульсов ШИМ и передает ее через трансформатор на выходной выпрямитель D2 и выходной фильтр R3 — C3, применяемый для стабилизации выходных параметров. Благодаря введению дополнительных резисторов в схему питания микросхемы, такой драйвер может регулировать значение мощности на выходе и управлять интенсивностью светового потока.

Схема БП

В схему самой распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

• сетевой помехоподавляющий фильтр;
• выпрямитель;
• сглаживающий фильтр;
• широтно-импульсный преобразователь;
• ключевые транзисторы;
• выходной высокочастотный трансформатор;
• выходные выпрямители;
• выходные индивидуальные и групповые фильтры.

Назначение помехоподавляющего фильтра состоит в задерживании помех от работы устройства в питающую сеть. Коммутация мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком спектре частот. Поэтому здесь необходимо в качестве проходных конденсаторов фильтрующих звеньев использовать разработанные специально для этой цели элементы.

Выпрямитель служит для преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а установленный следом сглаживающий фильтр устраняет пульсации выпрямленного напряжения.

В том случае когда используется преобразователь постоянного напряжения, выпрямитель и фильтр становятся ненужными, и входной сигнал, пройдя цепи помехоподавляющего фильтра, подается непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ является самой сложной частью схемы импульсного источника питания. В его задачу входят:

• генерация высокочастотных импульсов;
• контроль выходных параметров блока и коррекция импульсной последовательности в соответствии с сигналом обратной связи;
• контроль и защита от перегрузок.

Развязка с сетью

Предполагается, что выбираемый блок питания обеспечивает гальваническую развязку с сетью. Какой же из двух видов блоков питания обеспечит максимальную развязку ? На первый взгляд выбор очевиден — трансформаторный блок питания так как импульсный имеет в своем составе Y конденсатор (или даже несколько) между входом и выходом.

Теоретически трансформаторный блок питания действительно обеспечивает полную развязку с сетью, но на практике это не всегда так, особенно для тороидальных трансформаторов.

При изготовлении тороидальных трансформаторов вторичная обмотка наматывается поверх первичной и между ними образуется паразитный конденсатор. При этом к паразитному конденсатору приложено переменное напряжение сети. К сожалению значение межобмоточной емкости трансформаторов производители никак не нормируют.и узнать его можно только фактическим измерением «на месте». Общая тенденция такая, что чем выше мощность (размер) трансформатора, тем выше межобмоточная емкость. Кроме размера трансформатора, на значение межобмоточной емкости влияет качество изоляции.

Для примера на фото ниже приведены результаты измерения межобмоточной емкости различных тороидальных трансформаторов. Емкость измерялась RLC метром Е7-22 при частоте 120 Гц.

У Ш образных трансформаторов, обычно, первичная и вторичные обмотки разделены на отдельные секции, поэтому значение межобмоточной емкости значительно меньше.

Вернемся к импульсным блокам питания. Типовое значение емкости Y конденсатора между входом и выходом 2,2 нФ. Часто можно встретить более высокое значение вплоть до 4,7 нФ, реже меньшее значение 1 нФ. Таким образом блок питания на мощном тороидальном трансформаторе между входом и выходом может иметь емкость соизмеримую или даже большую, чем в качественном импульсном блоке питания. При этом наличие емкости в импульсном блоке питания известно, а вот о такой особенности тороидального трансформатора обычно нигде не указывается.

Чем же «вредна» эта самая емкость ? Прежде всего паразитным потенциалом на выходе относительно земли. Этот потенциал может составлять десятки вольт, и при касании выхода блока питания (или запитанного им устройства) заземленным паяльником или просто рукой, приводить к выходу устройства из строя.

В импульсных источниках питания для снижения потенциала на выходе относительно земли и дополнительного снижения помех устанавливают конденсаторы между выходом и заземлением. Рекомендуемая суммарная емкость конденсаторов не более 20 нФ.

Поскольку указанные конденсаторы устанавливаются не во все импульсные блоки питания, а величина межобмоточной емкости для тороидальных трансформаторов не нормируется, то при их использовании рекомендуется проверять наличие паразитного потенциала на выходе. Для этого можно использовать мультиметр в режиме измерения переменного напряжения и при включенном блоке питания один щуп взять в руку (или соединить с заземлением) второй соединить с выходом блока питания.

Другое негативное влияние межобмоточной емкости — проникновении сетевых помех. При этом импульсные блоки питания оказываются в более выигрышном положении т.к. у них в большинстве случаев устанавливается входной фильтр. Этот фильтр препятствует проникновению помех в сеть от импульсного блока питания и наоборот.

Итог. При выборе блока питания, если Вам требуется максимальная развязка с сетью, то лучше использовать трансформаторный блок питания с Ш сердечником и разделенными обмотками. При этом нужно учитывать, что Ш трансформатор имеет большее поле рассеяния и может наводить помеху 50 Гц. В некоторых особо чувствительных приборах устанавливаются последовательно два тороидальных трансформатора, чем обеспечивается высокая развязка и малая помеха 50 Гц.

Сфера применения импульсного блока питания

Импульсные преобразователи напряжения применяются в большинстве случаев вместо традиционных трансформаторных с полупроводниковыми стабилизаторами. При одинаковой мощности инверторы отличаются меньшими габаритными размерами и массой, высокой надежностью, а главное — более высоким КПД и возможностью работать в широком диапазоне входного напряжения. А при сравнимых габаритах максимальная мощность инвертора в несколько раз выше.

В такой области, как преобразование постоянного напряжения, импульсные источники практически не имеют альтернативной замены и способны работать не только по понижению напряжения, но и вырабатывать повышенное, организовывать смену полярности. Высокая частота преобразования существенно облегчает фильтрацию и стабилизацию выходных параметров.

Электронный трансформатор

Принцип действия электронного трансформатора схож с классическим – при подаче переменного напряжения на первичную обмотку, с его вторички снимается тоже переменное напряжение, но уже другого значения. Отличие заключается в том, что пониженное напряжение имеет совсем другую частоту и форму кривой, так как его искусственно создает генератор импульсов.

Пример схемы электронного трансформатора и принцип действия приведен на рисунке ниже:

Рис. 2. Электронный трансформатор

Как видите, в нем напряжение питания от сети 220 В не подается на обмотки трансформатора, а использует диодный мост в качестве основного преобразователя с переменной электрической величины в постоянную. Затем сигнал подается на выходные транзисторы, выступающие в роли электронного ключа, которые производят генерацию импульсов определенного количества и частоты. Следует отметить, что частота от генератора импульсов может достигать нескольких десятков кГц, но затем подается на импульсный преобразователь, который представлен силовым трансформатором.

Импульсные трансформаторы или, как их еще называют, импульсные БП нашли широкое применение в питании люминесцентных ламп. Однако его расположение по отношению к питаемым приборам освещения должно выполняться в непосредственной близи, чтобы сократить потери, нагрузку в сетевых проводах и нагрев. В сравнении с трансформаторным БП, импульсный имеет ряд весомых преимуществ:

1. Меньшие габариты для такой же мощности, что снижает и стоимость устройства;
2. Обладает лучшими параметрами в регулировке подаваемого напряжения;
3. Отличается более высоким КПД.

Но наряду с преимуществами импульсный блок имеет и некоторые недостатки. У электронного трансформатора куда более сложная схема, что влечет за собой снижение надежности. Если продешевить с моделью трансформатора, то выходной ток выдаст в сеть много импульсных помех, способных повлиять на работу смежного оборудования.

ИБП с гальванической развязкой

Высокочастотные сигналы могут направляться на импульсный трансформатор, который требуется для гальванической развязки цепей. Повышенная частота работы оборудования приводит к эффективной эксплуатации и одновременному уменьшению габаритов, веса. В большинстве случаев устройства работают на основе 3 цепочек, которые должны обладать взаимной связью:

1. ШИМ контролер. Данное устройство должно управлять технологическим процессом. В большинстве случаев предполагается процесс преобразования модуляции широтно-импульсного вида.
2. Каскад, состоящий из силовых ключей. Данная часть оборудования включает в себя мощные транзисторы, которые могут быть основаны на биполярных, IGBT, а также полевых моделях.
3. Импульсный трансформатор. Данный вид оборудования требуется для успешной передачи высокочастотных импульсов, которые могут обладать частотой до ста кГц.

Работа ИБП с гальванической развязкой дополнительно обладают цепочками, которые основаны на стабилизаторах, фильтрах, диодах.