Джерела живлення: мікропотужні, середньої потужності, потужні

Перша проблема, з якою при конструюванні будь-яких пристроїв стикаються і початківці і досвідчені радіоаматори - це проблема електроживлення. У цій главі будуть розглянуті різноманітні мережеві джерела живлення (мікропотужні, середньої потужності, потужні).

При виборі і розробці джерела живлення (далі ІП) необхідно враховувати ряд факторів, що визначаються умовами експлуатації, властивостями навантаження, вимогами до безпеки і т. д.

В першу чергу, звичайно, слід звернути увагу на відповідність електричних параметрів ІП вимогам питомого пристрої, а саме:

напруга живлення
споживаний струм
необхідний рівень стабілізації напруги живлення
допустимий рівень пульсації напруги живлення.

Важливі і характеристики ІП, що впливають на його експлуатаційні якості:

наявність систем захисту
масогабаритні розміри.

Будучи невід'ємною частиною радіоелектронної апаратури, засоби вторинного електроживлення повинні жорстко відповідати певним вимогам, які визначаються як вимогами до самої апаратури в цілому, так і умовами пред'являються до джерел живлення і їх роботі у складі даної апаратури. Будь-який з параметрів ІП, що виходить за межі допустимих вимог, вносить дисонанс в роботу пристрою. Тому, перш ніж починати складання ІП до передбачуваної конструкції, уважно проаналізуйте всі наявні варіанти і виберіть такий ІП, який буде максимально відповідати всім вимогам і вашим можливостям.

Існує чотири основних типи мережевих джерел живлення:

бестрансформаторные, з резистором або конденсатором
лінійні, виконані за класичною схемою: понижуючий трансформатор - випрямляч - фільтр - стабілізатор.
вторинні імпульсні: понижуючий трансформатор -фільтр - високочастотний перетворювач 20-400 кГц.
високовольтний імпульсний високочастотний: фільтр - випрямляч ~220 В - імпульсний високочастотний

перетворювач 20-400кГц. Лінійні джерела живлення відрізняються простотою і надійністю, відсутністю високочастотних перешкод. Висока ступінь доступності та комплектуючих простота виготовлення робить їх найбільш привабливими для повторення початківцями радиоконструкторами. Крім того, в деяких випадках важливий і чисто економічний розрахунок - застосування лінійних ІП однозначно виправдано в пристрої, що споживають до 500 мА, які вимагають досить малогабаритних ІП. До таких пристроїв можна віднести:

зарядні пристрої для акумуляторів;
блоки живлення радіоприймачів, Аонів, систем сигналізації і т. д.

Необхідно відзначити, що деякі конструкції, які не потребують гальванічної розв'язки з промислової мережею, можна живити через гасить конденсатор чи резистор, при цьому споживаний струм може досягати сотень мА.

Ефективність і раціональність застосування лінійних ІП значно знижується при струмах споживання понад 1 А. Причинами цього є такі явища:

коливання мережевої напруги позначаються на коефіцієнт стабілізації;
на вході стабілізатора доводиться встановлювати напругу, яка буде явно вище мінімально допустимого при будь-яких коливаннях напруги в мережі, а це означає, що коли ці коливання високі. необхідно встановлювати завищена напруга, що в свою чергу впливає на прохідний транзистор (невиправдано велике падіння напруги на переході, і як наслідок - високе тепловиділення);
великий споживаний струм вимагає застосування габаритних радіаторів на випрямляють діодах і регулюючому транзисторі, погіршує тепловий режим і габаритні розміри пристрою цілому.

Досить прості у виготовленні і експлуатації вторинні імпульсні перетворювачі напруги, їх відрізняє простота виготовлення і дешевизна комплектуючих. Економічно і технологічно виправдане конструювати ІП за схемою вторинного імпульсного перетворювача для пристроїв з струмом споживання 1-5 А, для безперебійних ІП до систем відеоспостереження та охорони, для підсилювачів низької частоти, радіостанцій, зарядних пристроїв.

Краща відмінна риса вторинних перетворювачів перед лінійними - масогабаритні характеристики випрямляча, фільтра, перетворювача, стабілізатора. Проте їх вирізняє великий рівень перешкод, тому при конструюванні необхідно приділити увагу екрануванню і придушення високочастотних складових у шині живлення.

Останнім часом отримали досить широке поширення імпульсні ИП, побудовані на основі високочастотного перетворювача з бестрансформаторным входом. Ці пристрої, харчуючись від промислової мережі ~110В/220В, не містять у своєму складі громіздких низькочастотних силових трансформаторів, а перетворення напруги здійснюється високочастотним перетворювачем на частотах 20-400 кГц. Такі джерела живлення володіють на порядок кращими массогаба-ритными показниками за порівнянні з лінійними, а їх ККД може досягати 90% і більш. ІП з імпульсним високочастотним перетворювачем істотно поліпшують багато характеристик пристроїв, що живляться від цих джерел, і можуть застосовуватися практично в будь-яких радіоаматорських конструкціях. Однак їх відрізняє достатньо високий рівень складності, високий рівень перешкод у шині живлення, низька надійність, висока собівартість, недоступність деяких компонентів. Таким чином, необхідно мати дуже вагомі підстави для застосування імпульсних ІП на основі високочастотного перетворювача в аматорській апаратурі (у промислових пристроях це в більшості випадків виправдано). Такими підставами можуть служити: вірогідність коливань вхідної напруги на межах ~100-300 В. можливість створювати ІП з потужністю від десятків ват до сотень кіловат на будь-які вихідні напруги, поява доступних високотехнологічних рішень на основі ІМС та інших сучасних компонентів.

1. Джерело живлення з гальванічною розв'язкою від мережі на оптронах

Мікропотужні ІП з гальванічною розв'язкою від мережі ~220 В можна виконати із застосуванням оптронів, включивши їх послідовно для збільшення вихідної напруги (рис. 3.2-1.). Перенесення енергії здійснюється за допомогою однонаправленої світлового потоку всередині оптрон (оптрон містить світловипромінюючий і поглинаючий елементи), таким чином, гальванічної зв'язку з мережею не виникає.

На одній оптопаре виділяється 0,5-0,7 В для АОД101. АОД302 і 4 В-для АОТ102, АОТ110 (притоці 0,2 мА). Для забезпечення необхідних значень напруги і струму оптопари включаються послідовно або паралельно. В якості буферного що накопичує елемента можна використовувати іоністор, акумулятор або ємність на 100-1000 мкФ. Світлодіоди живляться через ємність не більше 0.2 мкФ щоб уникнути руйнування. Необхідно пам'ятати, що ефективність оптронів падає з часом (приблизно на 25% за 15000 годин роботи).

2. Микромощный стабілізатор з малим споживанням

У деяких радіоаматорських конструкціях потрібні мікропотужні стабілізатори, які споживають в режимі стабілізації микроамперы. На рис. 3.2-4 приведена принципова схема такого стабілізатора з внутрішнім струмом споживання 10 мкА і струмом стабілізації 100 мА.

Для зазначених на схемі елементів напруга стабілізації становить Uвих=3.4 В, для його зміни замість світлодіоди HL1 можна включити послідовно діоди КД522 (на кожному падіння напруги складає 0.7 В: на транзисторах VT1, VT2 - 0,3 В). Вхідна напруга даного стабілізатора (Uвх) не більше 30 Ст. Повинні застосовуватися транзистори з максимальним коефіцієнтом підсилення.

3. Джерела живлення з розділовими конденсаторами

У джерелах мікропотужних живлення з гальванічною зв'язком з промисловою мережею звичайно застосовуються т.зв. розділові конденсатори, які являють собою не що інше, як шунтуючі опору, що включаються послідовно в ланцюг живлення. Відомо, що конденсатор, встановлений в колі змінного струму, володіє опором, яке залежить від частоти і називається реактивним. Ємність розділового конденсатора (за умови застосування в промисловій - мережі ~220 В, 50 Гц) можна розрахувати за наступною формулою:

Для прикладу: зарядний пристрій для нікель-кадмієвих акумуляторів 12В ємністю 1 А/ч може бути запитано від мережі через розділовий конденсатор. Для нікель-кадмієвих акумуляторів зарядний струм складає 10% від номіналу, тобто 100 мА в нашому випадку. Далі, з огляду на падіння напруги на стабілізаторі порядку 3-5 В, отримуємо, що на вході зарядного пристрою необхідно забезпечити напругу ~18 В при робочому струмі 100 мА. Підставляючи ці дані, отримуємо:

за першою формулою:

Таким чином, вибираємо С = 1,5 мкФ з подвоєним робочою напругою 500 В (можуть застосовуватися конденсатори типів: МБМ, МГБП, МБТ).

Повна схема зарядного пристрою з розділовим конденсатором наведена на рис. 3.2-2. Пристрій придатне для зарядки акумуляторів струмом не більше 100 мА при напрузі заряду не більш 15В. Підлаштування резистором R2 встановлюють необхідне значення напруги заряду. R1 виконує роль обмежувача струму на початку заряду, а що виділяється на ньому напруга подається на світлодіод. По інтенсивності світіння світлодіоди можна судити - наскільки розряджена АКБ.

При експлуатації цього джерела живлення (і будь-яких інших ІП без гальванічної розв'язки з мережею) необхідно пам'ятати про заходи безпеки. Пристрій заряджається батарея всі час знаходяться під потенціалом промислової мережі. У деяких випадках такі обмеження унеможливлюють нормальну експлуатацію пристроїв, тому доводиться забезпечувати гальванічну розв'язку ІП від мережі.

Малопотужний джерело живлення з розділовим конденсатором, але з гальванічною розв'язкою від промислової мережі можна виготовити на основі перехідного трансформатора реле магнітного пускача, причому їх робоча напруга може бути і нижче 220 В. На рис. 3.2-3 показана принципова схема такого джерела живлення.

Ємність розділового конденсатора розраховується з урахуванням параметрів трансформатора (тобто, знаючи коефіцієнт трансформації. спочатку розраховують напругу, що необхідно забезпечити на вході трансформатора, а потім, переконавшись у допустимості такого напруги для застосовуваного трансформатора, розраховують параметри конденсатора).

Потужність, що віддається таким джерелом живлення, цілком може живити квартирний дзвінок, приймач, аудіоплеєр.

4. Джерела живлення з розділовими конденсаторами

за першою формулою:

5. Лінійні джерела живлення

В даний час традиційні лінійні джерела живлення все більше витісняються імпульсними. Однак, незважаючи на це, вони продовжують залишатися досить зручним і практичним рішенням у більшості випадків радиолюбительского конструювання (іноді й у промислових пристроях). Причин тому кілька: по-перше, лінійні джерела живлення конструктивно досить прості і легко настроюються, по-друге, вони не вимагають застосування дорогих високовольтних компонентів і, нарешті, вони значно надійніше імпульсних ІП.

Типовий лінійний ІП містить у своєму складі: мережний понижуючий трансформатор, діодний міст з фільтром і стабілізатор, який перетворює нестабілізована напруга, одержуване з вторинної обмотки трансформатора через діодний міст і фільтр, у вихідну стабілізовану напругу, причому, це вихідна напруга завжди нижче нестабілізованого вхідної напруги стабілізатора.

Основним недоліком такої схеми є низький ККД і необхідність резервування потужності практично у всіх елементах пристрою (тобто потрібна установка компонентів допускають великі навантаження, ніж передбачувані для ІП в цілому, наприклад, для ІП потужністю 10 Вт потрібно трансформатор потужністю не менш 15 Вт тощо). Причиною цього є принцип по якому функціонують стабілізатори лінійних ІП. Він полягає в розсіюванні на регулюючому елементі деякої потужності Ppac = Інагр * (Uвх - Uвих) .З формули випливає, що чим більше різниця між вхідним і вихідним напругою стабілізатора, тим більшу потужність необхідно розсіювати на регулюючому елементі.

З іншого боку, чим більш нестабільно вхідна напруга стабілізатора, і чим більше воно залежить від зміни струму навантаження, тим більш високим воно повинно бути по відношенню до вихідною напругою. Таким чином видно, що стабілізатори лінійних ІП функціонують у досить вузьких рамках допустимих вхідних напруг, причому ці рамки ще звужуються при пред'явленні жорстких вимог до ККД пристрою. Зате досягаються в лінійних ІП ступінь стабілізації і придушення імпульсних перешкод набагато перевершують інші схеми. Розглянемо дещо детальніше застосовувані в лінійних ІП стабілізатори.

Найпростіші (т. зв. параметричні) стабілізатори засновані на використанні особливостей вольт-амперних характеристик деяких напівпровідникових приладів - в основному, стабілітронів. Їх відрізняє висока вихідний опір. невисокий рівень стабілізації і низький ККД. Такі стабілізатори застосовуються тільки при малих навантаженнях, звичайно - як елементи схем (наприклад, як джерела опорного напруги). Приклади параметричних стабілізаторів і формули для розрахунку наведені на рис. 3.3-1.

Послідовні прохідні лінійні стабілізатори відрізняються наступними характеристиками: напруга на навантаженні не залежить від вхідної напруги і струму навантаження, допускаються високі значення струму навантаження, забезпечується високий коефіцієнт стабілізації і мале вихідний опір. Структурна схема типового лінійного стабілізатора представлена на рис. 3.3-2. Основний принцип, на якому базується його робота - порівняння вихідної напруги з деяким стабілізованою

опорною напругою і управління на основі результатів цього порівняння головним силовим елементом стабілізатора (на структурній схемі-т. зв. прохідний транзистор VT1, що працює в лінійному режимі, але це може бути і група компонентів), на якому і розсіюється надлишкова потужність (див. наведену вище формулу).

У більшості випадків радиолюбительского конструювання в якості джерел живлення пристроїв можуть застосовуватися лінійні ІП на основі мікросхем лінійних стабілізаторів серії К(КР)142. Вони володіють дуже хорошими параметрами, мають вбудовані ланцюга захисту від перевантажень, ланцюги термокомпенсації і т. п., легко доступні і прості у застосування (більшість стабілізаторів цієї серії повністю реалізовані всередині ІВ, які мають всього три виводу). Однак при конструюванні лінійних ІП великої потужності (25-100 Вт) потрібен більш тонкий підхід, а саме: застосування спеціальних трансформаторів з броневыми серцевиною (що мають більший КДП), пряме використання тільки інтегральних стабілізаторів неможливо через недостатності їх потужності, тобто потрібні додаткові силові компоненти і, як наслідок, додаткові ланцюжка захисту від перевантаження, перегріву і перенапруження. Такі ІП виділяють багато тепла, припускають установку багатьох компонентів на великих радіаторах і, відповідно, досить габаритні; для досягнення високого коефіцієнта стабілізації вихідної напруги потрібні спеціальні схемні рішення.

6. Стабілізатор зі струмом навантаження до 5А

На рис. 3.3-3 наведена базова схема для побудови потужних стабілізаторів, що забезпечують струм навантаження до 5 А. чого цілком достатньо для запитывания більшості радіоаматорських конструкції. Схема виконана з застосуванням мікросхеми стабілізатора серії КР142 і зовнішнього прохідного транзистора.

При малому струмі споживання транзистор VT1 закритий і працює тільки мікросхема стабілізатора, але при збільшенні споживаного струму, напруга, що виділяється на R2 і VD5, відкриває транзистор VT1, і основна частина струму навантаження починає текти через його перехід. Резистор R1 служить датчиком струму перевантаження. Чим більше опір R1, тим за меншого струму спрацьовує захист (транзистор VT1 закривається). Фільтруючий дросель L 1 служить для придушення пульсації змінного струму при максимальному навантаженні.

За наведеною схемою можна збирати стабілізатори на напругу 5-15 Ст. Силові діоди VD1-VD4 повинні бути розраховані на струм не менше 10 А. Резистором R4 здійснюється точна підстроювання вихідної напруги (базове значення задається типом застосовуваної мікросхеми стабілізатора серії КР142). Силові елементи встановлюються на радіатори площею не менше 200 см^2.

Для прикладу, наведемо розрахунок стабілізатора напруги з наступними характеристиками:

U Вих - 12 В;Інаг - 3 A; Uвх - 20 Ст.

Вибираємо стабілізатор напруги 12 В серії КР142 - КР142ЕН8Б. Вибираємо прохідний транзистор, здатний розсіяти максимальну потужність навантаження Ррас = Uвх* Інагр = 20 • 3 = 60 Вт (потужність транзистора бажано вибирати в 1.5-2 рази більшою) - підходить поширений КТ818А (Ррас = 100 Вт, Ік макс = 15 А). В якості VD1-VD5 можуть використовуватися будь-які відповідні за струмом силові діоди, наприклад,КД202Д.

7. Імпульсні джерела живлення

На відміну від традиційних лінійних ІП, які передбачають гасіння зайвої напруги на нестабілізованого прохідному лінійному елементі, імпульсні ИП використовують інші методи і фізичні явища для генерації стабілізованої напруги, а саме: ефект накопичення енергії в котушках індуктивності, а також можливість високочастотної трансформації і перетворення накопиченої енергії в постійну напругу. Існує три типових схеми побудови імпульсних ІП (див. рис. 3.4-1): підвищує (вихідна напруга вище вхідного), що знижує (вихідна напруга нижче вхідного) і інвертуюча (вихідна напруга має протилежну за відношенню до вхідного полярність). Як видно з малюнка, відрізняються вони лише спосіб підключення індуктивності, в іншому, принцип роботи залишається незмінним, а саме.

Ключовий елемент (зазвичай застосовують біполярні або МДН транзистори), працюючий з частотою порядку 20-100 кГц, періодично на короткий час (не більше 50% часу) прикладає до котушці індуктивності повний вхідний нестабілізована напруга. Імпульсний струм. протікає через котушку, забезпечує накопичення запасу енергії в її магнітному полі 1/2LI^2 на кожному імпульсі. Запасена таким чином енергія з котушки передасться в навантаження (або безпосередньо, з використанням випрямляючого діода, або через вторинну обмотку з наступним випрямленням), конденсатор вихідного згладжуючого фільтра забезпечує стабільність вихідної напруги і струму. Стабілізація вихідної напруги забезпечується автоматичною регулюванням ширини або частоти проходження імпульсів на ключовому елементі (для стеження за вихідним напругою призначена ланцюг зворотного зв'язку).

Така, хоча і досить складна схема дозволяє істотно підвищити ККД всього пристрою. Справа в тому, у цьому випадку, крім самої навантаження в схемі відсутні силові елементи, розсіюючі значну потужність. Ключові транзистори працюють в режимі насиченого ключа (тобто падіння напруги на них мало) і розсіюють потужність тільки в досить короткі часові інтервали (час подачі імпульсу). Крім цього, за рахунок підвищення частоти перетворення можна істотно збільшити потужність і поліпшити масогабаритні характеристики.

Важливим технологічним перевагою імпульсних ІП є можливість побудови на їх основі малогабаритних мережевих ІП з гальванічною розв'язкою від мережі для живлення самої різноманітної апаратури. Такі ІП будуються без застосування громіздкого низькочастотного силового трансформатора за схемою високочастотного перетворювача. Це, власне, типова схема імпульсного ІП з пониженням напруги, де в якості вхідної напруги використовується мережеве випрямлена напруга, а в якості нагрівального елемента - високочастотний трансформатор (малогабаритний і з високим ККД), з вторинної обмотки якого і знімається вихідну стабілізовану напругу (цей трансформатор забезпечує також гальванічну розв'язку з мережею).

До недоліків імпульсних ІП можна віднести: наявність високого рівня імпульсних шумів на виході, високу, складність і низьку надійність (особливо при кустарному виготовленні), необхідність застосування дорогих високовольтних високочастотних компонентів, які в разі найменшої несправності легко виходять з ладу "всім скопом" (при цьому. як правило, можна спостерігати вражаючі піротехнічні ефекти). Любителям покопатися в нутрощах пристроїв з викруткою і паяльником при конструюванні мережевих імпульсних ІП доведеться бути вкрай обережними, так як багато елементів таких схем знаходяться під високим напругою.

8. Ефективний імпульсний стабілізатор низького рівня складності

На елементній базі, аналогічної застосовувалася в описаному вище (рис. 3.3-3) лінійному стабілізаторі, можна побудувати імпульсний стабілізатор напруги. При таких же характеристиках він буде володіти значно меншими габаритами і кращим тепловим режимом. Принципова схема такого стабілізатора приведена на рис. 3.4-2. Стабілізатор зібраний за типовою схемою з пониженням напруги (рис. 3.4-1а).

При першому включенні, коли конденсатор С4 розряджений і до виходу підключена досить потужна навантаження, струм протікає через ІС лінійного стабілізатора DA1. Викликане цим струмом падіння напруги на R1 відмикає ключовий транзистор VT1, який тут-таки входить в режим насичення, так як індуктивний опір L1 велике і через транзистор протікає досить великий струм. Падіння напруги на R5 відкриває основний ключовий елемент - транзистор VT2. Струм. наростаючий в L1, заряджає С4, при цьому через зворотний зв'язок на R8 відбувається замикання і стабілізатора ключового транзистора. Енергія, запасена в котушці, живить навантаження. Коли напруга на С4 падає нижче напруги стабілізації, відкривається DA1 і ключовий транзистор. Цикл повторюється з частотою 20-30 кГц.

Ланцюг R3. R4, С2 задасть рівень вихідної напруги. Його можна плавно регулювати в невеликих межах, від Ucт DA1 до Uвх. Однак якщо Uвих підняти близько до Uвх, з'являється деяка нестабільність при максимальному навантаженні і підвищений рівень пульсації. Для придушення високочастотних пульсації на виході стабілізатора включений фільтр L2, С5.

Схема досить проста і максимально ефективна для даного рівня складності. Всі силові елементи VT1, VT2, VD1, DA1 забезпечуються невеликими радіаторами. Вхідна напруга нс має перевищувати 30 В. що є максимальним для стабілізаторів КР142ЕН8. Випрямні діоди застосовувати на струм не менше 3 А.

9. Пристрій безперебійного живлення на основі імпульсного стабілізатора

На рис. 3.4-3 пропонується до розгляду пристрій безперебійного живлення систем охорони і відеоспостереження на основі імпульсного стабілізатора, поєднаного з зарядним пристроєм. В стабілізатор введені системи захисту від перевантаження, перегріву, кидків напруги на виході, короткого замикання.

Стабілізатор має наступні параметри:

Вхідна напруга, Uвx - 20-30 В:
Вихідну стабілізовану напруга, Uвыx-12B:
Номінальний струм навантаження, Інагр ном -5А;
Струм спрацьовування системи захисту від перевантаження, Ізащ - 7А;.
Напруга спрацьовування системи захисту від перенапруги, Uвих зах - 13;
Максимальний струм зарядки АКБ, Ізар акб макс - 0,7 А;
Рівень пульсації. Uпульс - 100 мВ,
Температура спрацьовування системи захисту від перегріву, Тзащ - 120 С;
Швидкість перемикання на живлення від АКБ, tперекл - 10мс (реле РЭС-б РФО.452.112).

Принцип роботи імпульсного стабілізатора в описуваному пристрої такий же, як і у стабілізатора, представленого вище.

Пристрій доповнено зарядним пристроєм, виконаним на елементах DA2,R7, R8, R9, R10, VD2, С7. ІС стабілізатора напруги DA2 з дільником струму на R7. R8 обмежує максимальний початковий струм заряду, дільник R9, R10 задає вихідна напруга заряду, діод VD2 захищає АКБ від саморозряду при відсутності напруги харчування.

Захист від перегріву використовує у якості датчика температури терморезистор R16. При спрацьовуванні захисту включається звуковий сигналізатор, зібраний на ІС DD 1 і, одночасно, навантаження відключається від стабілізатора, переходячи на живлення від АКБ. Терморезистор монтують на радіаторі транзистора VT1. Точна підстроювання рівня спрацьовування температурної захисту здійснюється опором R18.

Датчик напруги зібраний на дільнику R13,R15. опором R15 встановлюють точний рівень спрацювання захисту від перенапруги (13). При перевищенні напруги на виході стабілізатора (у разі виходу останнього з ладу) реле S1 відключає навантаження від стабілізатора і підключає її до АКБ. У разі відключення живлячої напруги, реле S1 переходить в стан "за замовчуванням"- тобто підключає навантаження на АКБ.

Наведена тут схема не має електронного захисту від короткого замикання для АКБ. цю роль виконує плавкий запобіжник в ланцюзі живлення навантаження, розрахований на максимальний споживаний струм.

10. Джерела живлення на основі високочастотного імпульсного перетворювача

Досить часто при конструюванні пристроїв виникають жорсткі вимоги до розмірів джерела харчування. У цьому випадку єдиним виходом є застосування ІП на основі високовольтних високочастотних імпульсних перетворювачів. які підключаються до мережі ~220 В без застосування габаритного низькочастотного понижуючого трансформатора і можуть забезпечити більшу потужність при малих розмірах і тепловіддачі.

Структурна схема типового - імпульсного перетворювача з живленням від промислової мережі представлена на рис 34-4.

Вхідний фільтр призначений для запобігання проникнення імпульсних перешкод в мережу. Силові ключі забезпечують подачу імпульсів високої напруги на первинну обмотку високочастотного трансформатора (можуть застосовуватися одно - і двотактні схеми). Частота і тривалість імпульсів задаються керованим генератором (зазвичай застосовується управління шириною імпульсів, рідше - частотою). На відміну від трансформаторів синусоїдального сигналу низької частоти, в імпульсних ІП застосовуються широкосмугові пристрої, що забезпечують ефективну передачу потужності на сигналах з швидкими фронтами. Це накладає суттєві вимоги на тип застосовується магнітопровода і конструкцію трансформатора.

З іншого боку, з збільшенням частоти необхідні розміри трансформатора (із збереженням переданої потужності) зменшуються (сучасні матеріали дозволяють будувати потужні трансформатори з прийнятним ККД на частоти до 100-400 кГц). Особливістю вихідного випрямляча є застосування в ньому не звичайних силових діодів, а швидкодіючих діодів Шотткі, що зумовлено високою частотою выпрямляемого напруги. Вихідний фільтр згладжує пульсації вихідної напруги. Напруга зворотного зв'язку порівнюється з опорною напругою і потім управляє генератором. Зверніть увагу на наявність гальванічної розв'язки в ланцюзі зворотного зв'язку, що необхідно, якщо ми хочемо забезпечити розв'язку вихідної напруги з мережею.

При виготовленні таких ІП виникають серйозні вимоги до застосовуваних компонентів (що підвищує їх вартість у порівнянні з традиційними). По-перше, це стосується робочого напруги діодів випрямляча, конденсаторів фільтра і ключових транзисторів, яке не повинно бути менше 350 В, щоб уникнути пробоїв. По-друге, повинні застосовуватися високочастотні ключові транзистори (робоча частота 20-100 кГц) і спеціальні керамічні конденсатори (звичайні оксидні електроліти на високих частотах будуть перегріватися зважаючи на їх високу індуктивності). І по-третє, частота насичення високочастотного трансформатора, що визначається типом застосовується магнитопро вода (як правило, використовуються тороїдальні сердечники) повинна бути значно вище робочої частоти перетворювача.

На рис. 3.4-5 наведена принципова схема класичного ІП на основі високочастотного перетворювача. Фільтр, що складається з ємностей С1, С2, СЗ і дроселів L1, L2, служить для захисту електромережі від високочастотних перешкод з боку перетворювача. Генератор побудований за автоколебательной схемою і сполучений з ключовим каскадом. Ключові транзистори VT1 і VT2 працюють в протифазі, відкриваючись і закриваючись по черзі. Запуск генератора і надійну роботу забезпечує транзистор VT3, працюючий в режимі лавинного пробою. При наростання напруги на С6 через R3 транзистор відкривається і конденсатор розряджається на базу VT2, запускаючи роботу генератора. Напруга зворотного зв'язку знімається з додатковою (III) обмотки силового трансформатора Tpl.

Транзистори VT1. VT2 встановлюють на пластинчасті радіатори не менше 100 см^2. Діоди VD2-VD5 з бар'єром Шотткі ставляться на невеликий радіатор 5 см^2.

Дані дроселів і трансформаторів:L1-1. L2 намотують на кільцях з фериту 2000НМ К12х8х3 в два дроти проводом ПЕЛШО 0,25: 20 витків. ТР1 - на двох кільцях, складених разом, ферит 2000НН КЗ 1х18.5х7; обмотка 1 - 82 витка проводом ПЕВ-2 0,5: обмотка II - 25+25 витків проводом ПЕВ-2 1,0: обмотка III - 2 витка проводом ПЕВ-2 0.3. ТР2 намотують на кільці з фериту 2000НН К10х6х5. всі обмотки виконані проводом ПЕВ-2 0.3: обмотка 1 - 10 витків: обмотки II і III - по 6 витків, обидві обмотки (II і III) намотані так, що займають на кільці по 50% площі не торкаючись і не перекриваючи один одного, намотана обмотка I рівномірно по всьому кільцю і ізольована шаром лакотканини. Котушки фільтра випрямляча L3, L4 намотують на фериті 2000НМ ДО 12х8х3 проводом ПЕВ-2 1,0, кількість витків - 30. В якості ключових транзисторів VT1, VT2 можуть застосовуватися КТ809А. КТ812, КТ841.

Номінали елементів та намотувальні дані трансформаторів приведені для вихідної напруги 35 Ст. В у разі, коли потрібні інші робочі значення параметрів, слід відповідні таким чином змінити кількість витків в обмотці 2 Тр1.

Описана схема має суттєві недоліки, зумовлені прагненням гранично зменшити кількість застосовуваних компонентів Це і низький рівень стабілізації вихідної напруги, і нестабільна ненадійна робота, і низький вихідний струм. Однак вона цілком придатна для харчування найпростіших конструкцій різної потужності (при застосування відповідних компонентів), таких як: калькулятори. Аони. освітлювальні прилади і т. п.

Ще одна схема ІП на основі високочастотного імпульсного перетворювача наведена на рис. 3.4-6. Основним відмінність цієї схеми від стандартної структури, представленої на рис. 3 .4-4 є відсутність ланцюга зворотного зв'язку. У зв'язку з цим, стабільність напруги на вихідних обмотках ВЧ трансформатора Тр2 досить низька і вимагається застосування вторинних стабілізаторів (у схемі використовуються універсальні інтегральні стабілізатори на ІС серії КР142).

11. Імпульсний стабілізатор з ключовим МДП-транзистором зі зчитуванням струму

Мініатюризації і підвищенню ККД при розробці і конструюванні імпульсних джерел живлення сприяє застосування нового класу напівпровідникових інверторів - МДП-транзисторів, а також: потужних діодів з швидким зворотним відновленням, діодів Шотткі, надшвидкодіючих діодів, польових транзисторів з ізольованим затвором, інтегральних схем управління ключовими елементами. Всі ці елементи доступні на вітчизняному ринку і можуть використовуватися в конструюванні високоефективних джерел живлення, перетворювачів, систем запалювання двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), систем запуску ламп денного світла (ЛДС). Великий інтерес у розробників також може викликати клас силових приладів під назвою HEXSense - МДП-транзистори зі зчитуванням струму. Вони є ідеальними перемикаючими елементами для імпульсних джерел живлення з готовим управлінням. Можливість зчитувати струм ключового транзистора може бути використана в імпульсних ІП для зворотного зв'язку по струму, необхідної для контролера широтно-імпульсної модуляції. Цим досягається спрощення конструкції джерела харчування - виключення з нього струмових резисторів та трансформаторів.

На рис. 3.4-7 наведена схема імпульсного джерела живлення потужністю 230 Вт. Його основні робочі характеристики наступні:

Вхідна напруга:-110 В 60Гц:
Вихідна напруга: 48 постійне:
Струм навантаження: 4.8 А:
Частота перемикання: 110 кГц:
ККД при повному навантаженні: 78%;
ККД при навантаженні 1/3: 83%.

Схема побудована на базі широтно-імпульсного модулятора (ШІМ) з високочастотним перетворювачем на вихід. Принцип роботи полягає в наступному.

Сигнал керування ключовим транзистором надходить з виходу 6 ШІМ-контролера DA1, коефіцієнт заповнення обмежується 50% резистором R4, R4 і СЗ є времязадающими елементами генератора. Харчування DA1 забезпечується ланцюжком VD5, С5, С6, R6. Резистор R6 призначений для подачі живлячої напруги під час запуску генератора, подальшому використовується зворотний зв'язок по напрузі через L1, VD5. Ця зворотній зв'язок виходить від додаткової обмотки вихідного дроселя, яка працює в режимі зворотного ходу. Крім живлення генератора, напруга зворотного зв'язку через ланцюжок VD4, Cl, Rl, R2 подається на вхід зворотного зв'язку за напруги DA1 (вив.2). Через R3 і С2 забезпечується компенсація, яка гарантує стабільність петлі зворотного зв'язку.

В якості ключового елемента VT2 використовується МДП-транзистор зі зчитуванням струму IRC830 фірми International Rectifier. Сигнал зчитування струму подається від VT2 на висновок 3 DA1. Рівень напруги на виводі зчитування струму задається резистором R7 і пропорційний струму стоку, С9 пригнічує викиди на передньому фронті імпульсу струму стоку, які можуть викликати передчасне спрацьовування контролера. VT1 і R5 використовуються для завдання необхідного закону керування. Зверніть увагу, що струм зчитування повертається в кристал на висновок витоку. Це робиться для того. щоб уникнути помилки зчитування струму, яка може виникнути із-за падіння напруги на паразитном опорі виведення витоку.

На базі даної схеми можливо побудова імпульсних стабілізаторів і з іншими вихідними параметрами.

12. Сучасні газорозрядні прилади

Приблизно 25% електроенергії, виробляється в світі, витрачається системами штучного освітлення, що робить цю область надзвичайно привабливою для додатка сил в галузі підвищення ефективності використання та скорочення споживання електроенергії.

В даний час найбільш поширеними економічними джерелами світла є газорозрядні лампи, які все частіше застосовуються замість звичайних ламп розжарювання. Принцип дії таких ламп полягає в люмінесцентному світлі укладеного всередині лампи газу при протіканні через нього струму (здійснення високовольтного пробою), що забезпечується подачею високої напруги на електроди лампи. Газорозрядні лампи можна розділити на два види, перший - це лампи високої інтенсивності світіння, серед яких найбільш поширені: ртутні лампи, натрієві лампи високого тиску й металогалогенні лампи, другий вид - це люмінесцентні лампи низького тиску.

Лампи низького тиску використовуються для освітлення в більшості випадків повсякденному житті - в адміністративних будівлях, офісах, житлових будинках: їх відрізняє насичений білий світло. близький до денного (звідси назва - "лампи денного світла"). Лампи високого тиску використовуються для зовнішнього освітлення - у вуличних ліхтарях, прожекторах і т. п.

Якщо звичайна лампа розжарювання, коли вона включена, являє собою постійну резистивну навантаження, то все газорозрядні лампи мають негативні імпедансні характеристики. які вимагають стабілізації струму. Крім того, необхідно враховувати такі моменти, як: резонансний режим роботи, захист при виході лампи з ладу; високовольтне запалювання, спеціальне управління силовий шиною. Основний режим, дотримання якого необхідно люминисцентной лампи на протягом усього терміну експлуатації - це струмовий режим (в ідеалі, необхідна стабілізація потужності протягом усього періоду експлуатації лампи). Як правило, лампи живляться від змінного напруги для вирівнювання зносу електродів (в разі живлення постійною напругою, термін служби коротше на 50%).

13. Магнітний та електронний баласти

Для управління газорозрядними лампами традиційно використовувався т. н. магнітний баласт (див. схему на рис. 3.5-1), однак через його неефективність і ненадійності, останнім часом все більшого поширення отримують схеми електронного управління - електронний баласт, який дозволяє значно підвищити ККД і термін служби освітлювальних систем, зробити світ більш рівним і природним для очей.

Базова схема електронного баласту з послідовним резонансом наведена на рис. 3.5-2. Застосовуючи електронні баласти, можна управляти лампами будь-якої потужності, в схему можна вбудовувати будь-які додаткові пристрої (наприклад, фотореле, що включає освітлення в сутінках і вимикає на світанку).

14. Схема управління для лампи денного світла потужністю до 40Вт

Для управління лампою денного світла (ЛДС) потужністю до 40 Вт призначена схема, наведена на рис. 3.5-3.

Напруга живлення ~220 В подається на входи L1 і L2. Випрямлена діодами VD1 -VD4 постійна напруга становить близько 320 Ст. Конденсатори С1 і С2 працюють як ємнісний вхідний фільтр. Можливо використання мережі ~110В, в цьому випадку живлення подається на входи L1 (L2) і N. а діоди VD1. VD3 (VD2, VD4) з конденсаторами С1 і С2 працюють як однополуперіодний удвоитель напруги.

DA1 (IR2151) - це схема управління МДН-транзисторами з внутрішнім генератором, який працює прямо від шини живлення через R1. Внутрішній стабілізатор фіксує напругу живлення на рівні 15 Ст. Передбачена блокування затворів при падінні напруги живлення нижче 9 Ст.

При номінальному постійному напрузі шини живлення 230 У вихідний прямокутний імпульс має ефективне напруга 160 В, а частота встановлюється підбором R2 і С4 для наближення до резонансній частоті лампи. Лампа працює в своїй послідовній резонансної схемою, що складається з послідовно включеним котушки індуктивності L1 і шунтуючого конденсатора С6, який стоїть паралельно з термистору позитивним температурним коефіцієнтом.

Термістор (для цих цілей може також використовуватися неонова лампочка) має малий опір в холодному стані і дуже висока в гарячому, коли нагрівається завдяки протікає через нього струму. Призначення термістора - забезпечити плавне наростання напруги на електродах лампи при включенні. У випадках, коли лампа горить постійно або дуже рідко включається/вимикається, термістор можна прибрати. У цьому випадку лампа включається миттєво, що може привести до її швидкого зносу.

15. Сверхминиатюрная схема управління для лампи денного світла потужністю до 26Вт

Наступна принципова схема, наведена на рис. 3.5-4, дозволяє управляти лампою денного світла (ЛДС), маючи при цьому надмініатюрні розміри, так як в неї не застосовуються силові інвертори (ІВ IR51H420 об'єднує в одному корпусі ІС IR2151 і МДП-ключів). Максимальна потужність лампи у цьому випадку не повинна перевищувати 26 Вт, чого цілком достатньо для освітлення робочого місця.

16. Підвищують перетворювачі і помножувачі напруги

Зазвичай, якщо в конструкції є живлення для отримання всіх живильних напрузі використовують трансформатори. Підвищують перетворювачі і помножувачі напруги застосовуються, коли необхідно отримати напруги більші, ніж напруги живлення переносних пристроях, що живляться від батарей або акумуляторів. Перетворювачі малої потужності (до 100-200 мВт) можна зібрати на дискретних елементах без застосування трансформаторів, у перетворювачах великої потужності трансформатор необхідний. Для отримання подвоєного або потроєного напруги можна користуватися т. н. множниками напруги (див. главу 2).

17. Бестрансформаторный удвоитель напруги для малогабаритних пристроїв

На рис. 3.6-1 наведена схема перетворювача напруги 9 В -> 18В для пристроїв, що споживають не більше 100 мА при напрузі живлення 18В. Перетворювач наведено в складі практичної схеми сирени для систем охорони і сигналізації.

Генератор управління виконаний за типовою схемою. На виході D 1.2 формуються прямокутні імпульси з частотою 1 Гц. Імпульси надходять на керований генератор Dl.3, D1.4 і ланцюжок з R3, R2, С2, яка впливає на глибину модуляції. R4, R5, СЗ, С4 підбираються згідно з резонансною частотою п'єзо керамічного випромінювача В 1 В межах 1,5-3 кГц. Для підвищення амплітуди на пьезокристалле в схему введено помножувач. Сигнал з виходу DD1.4 надходить на комплементарну пару VT5, VT6 і далі на помножувач VD3, VD4, С5, Сб. Напруга на С6 при струмі навантаження 50 мА і основному живленні 9 становить близько 16 Ст. Потужність помножувача можна дещо збільшити, застосувавши ємності більшого номіналу. Схему можна живити напругою 6-15 (15 - максимум для ІС серії 561), у разі 15 харчування, напруга на виході помножувача буде становити менше 25 нс В при навантаженні 80 мА.

У даній конструкції амплітуда на кристалі пьезоэлемен та буде збільшеної, враховуючи те, що він включений в протифазі, щодо плечей транзисторів VT1, VT3. В якості випромінювача використовується спеціально для цих цілей розроблена керамічна пластина з двостороннім покриттям, так званий триморф з діаметром кристала 32 мм.

18. Потужний перетворювач для живлення побутових електроприладів

На рис. 3.6-2 наведена принципова схема потужного перетворювача для живлення побутових електроприладів (телевізор, дриль, електронасос і т. д.) від автомобільного акумулятора. Перетворювач забезпечує вихідна напруга 220 В, 50 Гц на навантаженні потужністю до 100 Вт. При максимальному навантаженні споживаний струм від акумулятора не перевищує 10 А.

Кількість деталей у пристрої зведено до мінімуму. На мікросхемі DD1.1 зібраний задаючий генератор з частотою 100 Гц. Точну настройку частоти (що важливо для нормальної роботи апаратури) здійснюють резисторами R1 і R2. Розподіл частоти на 2 і управління транзисторами забезпечуються другою половиною мікросхеми - D1.2. Транзистори VT1, VT2 включені для забезпечення нормального режиму роботи виходів DD1.2 при максимальному струмі навантаження. Вихідні транзистори VT3, VT4 встановлюються на радіатори, площа яких не менше 350 см^2.

Для згладжування прямокутних фронтів призначений конденсатор СЗ, який разом із вихідний обмоткою і навантаженням утворює резонансну систему. Його ємність сильно залежить від характеру навантаження. Трансформатор ТР1 виконаний на магнитопро воді марки ШЛМ або ПЛМ габаритної потужності 100 Вт. Обмотки I і II містять по 17 витків дроту ПЕВ-2 2,0 мм, обмотка III містить 750 витків дроту ПЕВ-2 0,7 мм.

Дану схему дуже легко переробити під високочастотний перетворювач напруги (частота перетворення ~25 кГц). Для цього досить підняти частоту задаючого генератора на D1.1 до -50 кГц, змінивши ємності С1 і С2 на 180 пФ, і замінити ТР1 на високочастотний трансформатор. Потужність перетворювача залежить від навантаження вихідних транзисторів, максимальний струм, який вони можуть дати нс повинен перевищувати 8А в плечі. Для збільшення струму зменшується кількість витків трансформатора в 1 та II обмотках до 8-10. На виході перетворювача встановлюється діодний міст і ВЧ-фільтр, що застосовуються в них компоненти повинні забезпечувати нормальну роботу на частоті 25 кГц.

19. Захист від перевищення напруги

У промислової і побутової мережі досить часто можна зафіксувати непередбачені кидки напруги, при цьому напруга у мережі може перевищувати номінальне на 20-40%. Такі кидки умовно можна розділити на два класу:

1. Короткочасні - збільшення амплітуди протягом кількох періодів.

2. Тривалі - збільшення напруги в протягом кількох секунд або хвилин.

Перші можна віднести скоріше до імпульсним перешкод, що пов'язано з комутацією на лінії якихось потужних навантажень (зварювальні апарати, двигуни, нагрівальні елементи). Вони, безсумнівно, надають вплив на побутову техніку і, особливо, на чутливі елементи джерел живлення телевізорів, аудиоцентров. які часто знаходяться в черговому режимі круглі добу.

20. Пристрій захисту від імпульсних перешкод в мережі

Пристрій, що захищає від імпульсних перешкод, показано на рис. 3.7-1. Схема складається з наступних вузлів:

джерело живлення - VD1-VD4, R6, R7, VD5, VD7,Cl, C2;
датчик-компаратор - Rl, R2, R3, R4, R5, HL1, VD8, DA1, R8, R9;
формувач скидання з затримкою по виключення - VD9, R10, DD1.1,DD1.2, VD10, R11, СЗ;
генератор імпульсів високої частоти 25 кГц для управління симмистором-DD 1.3, DD1.4, R-12, R 13, С4, С5, R14, ТР1, VS1.
звуковий сигналізатор (виконується за бажанням) - R14, R15, C6,C7,HA1,DD2.

Джерело живлення виробляє два напруги: +24 В - для живлення імпульсного трансформатора, +5 В - для харчування ІВ пристрою.

Вузол контролю напруги зібраний на Rl, R2, R3. З дільника напруга надходить на вхід компаратора. Рівень спрацьовування за перевищення напруги встановлюється резистором R2 (положення движка підбирається таким чином, щоб компаратор був на грані спрацьовування при 245 входу). При перевищенні на вході компаратора заданого амплітудного значення він перемикається і на виході з'являються прямокутні імпульси з частотою 25 Гц.

У вихідному стані на виході D1.2 підтримується високий логічний рівень, що дозволяє роботу генератора управління симмистором (для підтримки його у відкритому стані). Транзистор VT1 управляє імпульсним трансформатором. формує потужні імпульси напруги відкривають. Частота генератора обрана рівною 25 кГц для якнайшвидшого відмикання силового ключа в моменти переходу через "нуль" (якщо частота управління буде недостатньою, може статися так, що коли під час включення з'являться високовольтні викиди і буде спотворена форма синусоїдального сигналу, система не встигне зреагувати і спотворений сигнал надійде на навантаження).

Дифференцирующая ланцюжок на елементах D1.1 і D1.2 здійснює заборона роботи генератора при вступі низького рівня з виходу компаратора (при підвищенні порогового напруги в мережі) і з затримкою у 9с дозволяє запуск генератора, коли напруга знизиться до порогового значення 240 Ст.

Імпульсний трансформатор ТР1 намотаний на матнитопро воді типорозміру К20х10х7,5 з фериту марки 2000НН і містить: обмотка I - 100 витків, обмотка II - 40 витків дроту ПЕЛШО-0,22. Обмотки ізолюють від кільця шаром лакотканини і розміщують на протилежних сторонах кільця.

При потужності навантаження понад 300 Вт симмистор необхідно встановити на радіатор.

Публікація: www.cxem.net

: Автор: Super User; Опубліковано: 06 вересня 2015; Створено: 06 вересня 2015; Останнє оновлення: 04 лютого 2023

Навігація

Джерела живлення: мікропотужні, середньої потужності, потужні

Связанные материалы