ШИМ-контроллер – что за зверь такой? Импульсные блоки питания: принципы работы для новичков — обзор 7 правил построения схемы

ШИМ-контроллер

ШИМ-контроллер

Преимущества и определения ШИМ-контроллера

ШИМ-контроллер это совокупность нескольких функциональных
схем для того чтобы управлять выходными силовыми каскадами, собранными обычно
на транзисторах. Управляются они исходя из той информации, которую микросхема
ШИМ получает от выходных цепей. В зависимости от тока или выходного напряжения
на выходе блока питания ШИМ-контроллер регулирует время открытия ключевого
транзистора. Таким образом, получается замкнутый круг. Эта часть блока питания
называется обратная связь или ОС.

В литературе и интернет источниках можно встретить случаи,
когда ШИМ-контроллерами называют различные генераторы сигналов с регулировкой
широты импульса, НО без обратной связи! К таким генераторам (на NE555 и др.) не
совсем корректно применять понятие контроллер, скорее регулятор или генератор.

Широтно-импульсная
модуляция – это тот метод, когда сигнал модулируется не с помощью изменения
амплитуды или частоты, а с помощью длительности импульса. Далее, после
интеграции импульсов при помощи LC-фильтров происходит сглаживание
модулированного сигнала.

Характеристики ШИМ.

Для Широтно-модулированного сигнала характеристик всего две:

  1. Частота следования импульсов
  2. Скважность импульсов, или коэффициент заполнения. По сути это одно и то же. Разница лишь в обозначении: для скважности -это D, для заполнения используем литеру S. Коэффициент заполнения = единица / период сигнала T

S=1/T

T – Период сигнала

T=1/f

D=T/1=1/S

F – Частота сигнала

Таким
образом, коэффициент заполнения ничто иное как интервал от периода сигнала.
Отсюда следует что он (коэффициент заполнения) всегда будет меньше единицы, что
не скажешь о скважности – она всегда будет больше 1.

Возьмем пример:

Частота сигнала = 50 кГц.

Период сигнала = 20 мкс.

Теперь предположим, что ключ выхода ШИМ открывается на 4 мкс. Коэффициент заполнение составит минус 20%, а скважность будет равна 5.

Конечно же, в расчет необходимо брать конструкцию ШИМ,
исходя из количества силовых ключей.

Структурная схема и описание работы основных узлов ИБП

Структурная схема импульсника сложнее, чем у трансформаторного источника. Для понимания принципа работы импульсного блока питания в целом, надо разобрать функционирование каждого узла в отдельности.



Структурная схема импульсного блока питания.

Входные цепи

Входные цепи предназначены для защиты сети от перегрузки при неисправности БП и от импульсных помех, возникающих при работе устройства. В качестве примера можно рассмотреть фильтр и защиту промышленного компьютерного ИИП.



Входные цепи импульсника MAV-300W-P4.

Плавкий 5-амперный предохранитель перегорает при превышении номинального тока при аварийной ситуации в БП. Для защиты от повышения напряжения предусмотрен варистор V1. В штатном режиме он не влияет на работу устройства. При скачке в сети от открывается, его сопротивление резко увеличивается, ток через варистор возрастает. Это вызывает перегорание предохранителя.

Терморезистор с отрицательным коэффициентом сопротивления THR1 сначала имеет большое сопротивление и ограничивает ток, идущий на зарядку конденсаторов фильтра высоковольтного выпрямителя. Потом термистор прогревается проходящим через него током, его сопротивление падает, но к тому моменту емкости уже будут заряжены. Конденсаторы CX1, C11, C12, CY3 и синфазный дроссель FL1 защищают сеть от синфазных и дифференциальных помех.

Высоковольтный выпрямитель и фильтр

Высоковольтный выпрямитель обычно строится по традиционной мостовой двухполупериодной схеме и особенностей не имеет. Если в преобразователе применяется полумостовая схема, то фильтр выполняется из двух емкостей, включенных последовательно – так формируется средняя точка с напряжением, равным половине питания.



Участок схемы импульсника с высоковольтным выпрямителем D1-D4 и с емкостным делителем напряжения C1-C2.

Иногда параллельно конденсаторам ставят резисторы. Они нужны для разряда емкостей после выключения питания.

Инвертор

Преобразование постоянного напряжения в импульсное происходит с помощью инвертора на полупроводниковых ключах (часто на транзисторах). Открываясь и закрываясь, ключи подают в обмотку импульсы напряжения. Таким методом получается своеобразное переменное напряжение (однополярное), которое может быть трансформировано в напряжение другого уровня обычным способом.



Схемы транзисторных инверторов.

Самая простая схема преобразователя постоянного напряжения в импульсное – однотактная. Для ее реализации нужен минимум элементов. Недостаток такого узла – при росте мощности резко растут габариты и масса трансформатора. Связано это с принципом действия такого преобразователя. Он работает в два цикла – во время первого транзистор открыт, энергия запасается в индуктивности первичной обмотки. Во время второго запасенная энергия отдается в нагрузку. Чем больше мощность, тем больше должна быть индуктивность, тем больше должно быть витков в первичной обмотке (соответственно, увеличивается количество витков во вторичных обмотках).

От этого недостатка свободна двухтактная схема со средней точкой (пушпульная). Первичная обмотка трансформатора разделена на две секции, которые через ключи поочередно подключаются к минусовой шине. На рисунке красной стрелкой показано направление тока для одного цикла, а красной – для другого. Минусом является необходимость иметь удвоенное количество витков в первичке, а также наличие выбросов в момент коммутации. Их амплитуда может достигать двойного значения от напряжения питания, поэтому надо применять транзисторы с соответствующими параметрами. Сфера применения такой схемы – низковольтные преобразователи.

Выбросы отсутствуют, если инвертор выполнен по мостовой схеме. Из четырех транзисторов составлен мост, в диагональ которого включена первичная обмотка трансформатора. Транзисторы открываются попарно:

  • первый цикл – верхний левый и нижний правый;
  • второй цикл – нижний левый и верхний правый.

Обмотка подключается к плюсу питания то одним выводом, то другим. Минусом является применение 4 транзисторов вместо двух.

Компромиссным вариантом считается применение полумостовой схемы. Здесь коммутируется один конец первичной обмотки, а второй подключен к делителю из двух емкостей. В этой схеме также отсутствуют выбросы напряжения, но применено всего два транзистора. Недостаток такого решения – к первичной обмотке прикладывается только половина питающего напряжения. Вторая проблема – при создании мощных источников емкость конденсаторов делителя растет, и их стоимость становится нецелесообразной.

Если ИИП построен по схеме с регулировкой параметров методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то в большинстве случаев ключи приводятся в действие не напрямую от микросхемы ШИМ, а через промежуточный узел – драйвер. Связано это с повышенными требованиями к прямоугольности управляющих сигналов.



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

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

Выпрямитель

Трансформированное во вторичные обмотки напряжение надо выпрямить. Если требуется выходное напряжение выше +12 вольт, можно применять обычные мостовые схемы (как и в высоковольтной части).



Схема импульсного блока питания с выходным напряжением до 30 вольт и мостовым двухполупериодным выпрямителем.

Если напряжение низкое, то выгодно применять двухполупериодные схемы со средней точкой. Их преимущество в том, что падение напряжение происходит только на одном диоде для каждого полупериода. Это позволяет сократить количество витков в обмотке. Для этой же цели используют диоды Шоттки и сборки на них. Недостаток такого решения – более сложная конструкция вторичной обмотки.



Схема выпрямителя со средней точкой и прохождение по ней тока.

Фильтр

Выпрямленное напряжение надо отфильтровать. Для этой цели применяются как традиционные емкости, так и индуктивности. Для используемых частот преобразования дроссели получаются небольшими, легкими, но работают эффективно.



Схема выходных фильтрующих цепей каналов импульсного компьютерного блока питания.

Цепи обратной связи

Цепи обратной связи служат для стабилизации и регулировки выходного напряжения, а также для ограничения тока. Если источник нестабилизированный, у него эти цепи отсутствуют. У устройств со стабилизацией тока или напряжения эти цепи выполняются на постоянных элементах (иногда с возможностью подстройки). У регулируемых источников (лабораторных и т.п.) в обратную связь включены органы управления для оперативной регулировки параметров.

У компьютерного БП дополнительно имеется схема управления и формирования служебных сигналов (Power_good, Stand By и т.д.).

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли вообще обойтись без трансформатора? Здесь ответ неоднозначный. И можно и нельзя. Более того, существуют безтрансформаторные источники питания. Для снижения напряжения применяют конденсатор. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство благополучно используется. Однако реактивное сопротивление конденсатора зависит обратно пропорционально от его емкости. Поэтому с увеличением нагрузки необходимо применять конденсатор большей емкости, что очень сказывается на его размерах. Кроме того возрастает его цена, поскольку он должен быть рассчитан на 400…450 В. Помимо всего прочего, использование реактивного сопротивления негативно влияет на качестве электроэнергии питающей сети. Снижается коэффициент мощности cosφ. Но самый главный недостаток заключается в отсутствии гальванической развязки. Это исключает применение подобных схем в преимущественном большинстве радиоэлектронной аппаратуре.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Так вот, мощность любого узла ИБП определяется всего двумя параметрами: напряжением и током.

P = U∙I.

Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением тока на напряжение. Поэтому давайте рассмотрим, как зависят габариты Т от величины приложенного U и протекающего I. Возможно, здесь у нас получится на что-то повлиять.

Напряжение или, точнее говоря, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, количеством витков w и магнитным потоком Φ.

E = 4,44∙f∙w∙Φ

Коэффициент 4,44 уберем для упрочения, поскольку он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных блоках питания, где форма сигнала имеет вид прямоугольника, это коэффициент имеет другое значение.

E ~ f∙w∙Φ

Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

E ~ f∙w∙B∙Sс

Давайте поразмыслим над этой формулой с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмотками. Упрощенно говоря, мы можем вполне обосновано сказать, что габариты сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А габариты обмотки зависят от числа витков w.

Теперь становится очевидно, что для сохранения прежней величины электродвижущей силы E при снижении числа витков w и площади поперечного сечения Sс, а соответственно и габаритов трансформатора, необходимо повышать или частоту или индукцию или эти два параметра одновременно.

Преимущественное большинство сердечников промышленных трансформаторов выполняются из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Выше только у чистого железа, обладающего максимально возможной индукцией из всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Тл. К сожалению, чистое железо не пригодно к использованию в электромагнитных устройствах вследствие сильных потерь энергии при перемагничивании.

Альтернативные магнитные материалы

Также в ряде стран применяется пермаллой. Пермаллой имеет несколько меньшую индукцию, чем электротехническая стать, но обладает большим электрическим сопротивлением. Благодаря чему снижаются потери на вихревые токи, а соответственно и потери холостого хода.

Относительно недавно на рынке в доступной цене появились аморфные и нанокристаллические сплавы. Они обладают высоким электрическим сопротивлением, при этом индукция их приближается к электротехническим сплавам. Кроме того они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но на этом мы здесь останавливаться не будем.

Однако индукция известных на сегодняшний день магнитных материалов и сплавов не достигает величины, значительно превосходящей индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Поэтому сейчас невозможно существенно снизить габариты электромагнитного устройства за счет применения новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое снижение массы и размеров – это повышение частоты f переменного тока.

Разновидности импульсных БП

По большому счёту классификация ИБП может включать немало схем, но мы рассмотрим только две из их:

  • бестрансформаторные импульсные устройства;
  • трансформаторные ИБП.

Мы уже рассматривали, чем отличается импульсный инвертор от обычного трансформаторного блока питания. Теперь можно рассказать об отличиях между этими двумя разновидностями импульсных преобразователей.

В бестрансформаторных ИБП высокочастотные импульсы следуют на выходной выпрямитель, и далее – на оконечную компоненту, сглаживающий фильтр. Основное достоинство такой схемы – простота конструкции. Большую роль здесь играет широтно-импульсный генератор, представляющий собой специализированную микросхему.

Главный минус таких устройств – отсутствие гальванической развязки, то есть обратной связи с питающей цепочкой. По этой причине уровень безопасности бестрансформаторных блоков не так высок – существует опасность поражения электрическим током высокой частоты. Поэтому блоки питания такого типа делают маломощными.

Трансформаторные БП более распространены. Здесь присутствует гальваническая развязка: высокочастотные импульсы подаются на трансформаторный блок, на первичную обмотку, при этом количество вторичных обмоток неограниченно. Другими словами, выходных напряжений может быть много, при этом каждая вторичная обмотка содержит собственную пару выпрямитель – фильтр. К КПД такого импульсного блока питания претензий нет, уровень безопасности – высокий. Неслучайно в компьютерах используют именно этот тип. Здесь для подачи сигнала на трансформатор по гальванической развязке используется напряжение номиналом 5/12 В, поскольку уровень точности и стабильности для работы компонентов ПК требуется очень высокий.

В числе основных отличий импульсного блока питания от классического трансформаторного является использование высокочастотных импульсов вместо стандартных 50 Гц. Такое решение позволило использовать ферромагнитные сплавы вместо электротехнических разновидностей железа. Они обладают высокой коэрцитивной силой, что предоставило возможность многократно уменьшить вес и размеры трансформаторной части и всего устройства.

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

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе на­грузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания посто­янного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.
Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напря­жения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.
Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхе­му DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, СЗ и R4, С4 задают частоту генерато­ра. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полуперио­дов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напря­жения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрям­ленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.
Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее на­пряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17). Конденсаторы умно­жителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна за­мена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10кB или выше.

Принципиальная схема высоковольтного импульсного источника питания

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансфор­матора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, ос­тальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Об­мотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.
Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, кото­рый подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Правило №5: импульсный трансформатор для блока питания передает каждый ШИМ импульс за счет двух преобразований электромагнитной энергии.

Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.

Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.

Его энергия расходуется:

  1. вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
  2. затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.

Как работает импульсный трансформатор

По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.

Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.

Схема электронного генератора

Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.

В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.

При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.

Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.

Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.

Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.

Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.

Двухполупериодная схема

Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.

Двухполярная схема питания

Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.

Продлить ресурс работы электролитических конденсаторов в ИБП можно заменой одного большой мощности несколькими составными. Ток будет распределяться по всем, что вызовет меньший нагрев. А отвод тепла с каждого отдельного происходит лучше.

Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.

Прямоходовая схема блока питания

Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.

Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.

Как работает дроссель

Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.

В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:

  • уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
  • и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:

  • полумостовому;
  • мостовому;
  • или пушпульному принципу построения выходного каскада.

Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор

Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.

Полумостовая схема

К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.

Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.

Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение

Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).

Мостовая схема

Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.

Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.

Пушпульная схема: важные особенности

Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.

Пушпульная схема

Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.

Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.

К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.

Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

  • высокой эффективности преобразования сигнала;
  • стабильность работы;
  • экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
  • низкой стоимости;
  • высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Принцип работы импульсного (инверторного) блока питания

А теперь рассмотрим, как работает импульсный блок питания, на полупрофессиональном уровне.

Основной функционал устройства заключается в выпрямлении характеристик первичного напряжения с последующим преобразованием в непрерывную последовательность импульсов, следующих с частотой, существенно превышающую номинальные 50 Гц. Именно в этом и заключается основное отличие от БП трансформаторного типа. У инверторных устройств выходное напряжение прямо влияет на функционирование блока посредством обратной связи. Используя характеристики импульсов, можно более точно регулировать стабилизацию выходного напряжения, тока и других параметров. Фактически импульсный блок питания может использоваться в качестве стабилизатора и напряжения, и тока. При этом полярность и число выходных характеристик может варьироваться в широких пределах, в зависимости от конкретной конструкции ИБП.

Импульсный блок питания ПК

Опишем принцип действия импульсного БП схематично.

На первый блок устройства, выпрямитель, подаётся бытовое напряжение номиналом 220 В, на трансформаторе амплитуда напряжения сглаживается, за что отвечает фильтр на основе конденсатора ёмкостного типа. Следующий этап – выпрямление синусоидного сигнала посредством диодного моста. После этого синусоидное напряжение преобразовывается в высокочастотные импульсы, при этом может быть использован принцип гальванического отделения питающего напряжения от выходного.

Если такая гальваническая развязка присутствует, высокочастотные сигналы по принципу обратной связи снова направляются на трансформатор, который использует их для осуществления гальванической развязки. Чтобы повысить КПД трансформатора, используется такой приём, как повышение его рабочей частоты.

Инверторный принцип обратной связи реализован посредством взаимодействия 3 базовых цепочек:

  • за широтно-импульсную модуляцию входного напряжения отвечает ШИМ-контроллер;
  • второй элемент – каскад силовых ключей, включающий собранные по специальным схемам транзисторы (схема со средней точкой Push-Pull, мостовая или полумостовая);
  • третья цепочка – собственно импульсный трансформатор.

Принцип работы импульсного блока питания







Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

  • различные виды зарядных устройств;
    Зарядки и внешние БП
    Зарядки и внешние БП
  • внешние блоки питания;
  • электронный балласт для осветительных приборов;
  • БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора
Импульсный модуль питания монитора

Обратноходовой импульсный источник питания

Блок питания для шуруповерта 12в своими руками

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

  1. Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
  2. Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

В чём отличия ШИМ от ШИР

В зарубежной технической литературе нет отличия между широтно-импульсной модуляцией и широтно-импульсным регулированием (ШИР). Российские же специалисты эти понятия пытаются разграничить. На самом деле ШИМ – это вид модуляции, то есть изменения несущего сигнала под действием другого, модулирующего. Несущий сигнал выполняет роль переносчика информации, а модулирующий задает эту информацию. А широтно-импульсное регулирование – это регулирование режима нагрузки с помощью ШИМ.

ШИМ-контроллеры в составе блоков питания

Блок питания является неотъемлемым элементом большинства современных девайсов. Срок его эксплуатации практически ничем не ограничен, но от его исправности во многом зависит безопасность работы подконтрольного устройства. Спроектировать блок питания можно и своими руками, изучив принцип его действия. Основная цель – формирование нужной величины напряжения питания, обеспечение её стабильности. Для большинства мощных устройств гальванической развязки, основанной на действии трансформатора, будет недостаточно, да и подобранный элемент явно удивит пользователей своими габаритами.

Работа ШИМ-контроллера

Увеличение частоты тока питания позволяет существенно уменьшить размеры используемых компонентов, что обеспечивает популярность блоков питания, работающих на частотных преобразователях. Один из самых простых вариантов реализации питающих элементов – блок-схема, состоящая из прямого и обратного преобразователей, генератора и трансформатора. Несмотря на видимую простоту реализации таких схем, на практике они демонстрируют больше недочетов, чем преимуществ. Большинство получаемых показателей стремительно изменяются под влиянием скачков напряжения питания, при загрузке выхода преобразователя и даже при увеличении температуры окружающей среды. ШИМ-контроллеры для блоков питания дают возможность стабилизировать схему, а также воплотить множество дополнительных функций.

Характеристики ШИМ сигнала

Важными характеристиками ШИМ сигнала являются:

  • амплитуда (U);
  • частота (f);
  • скважность (S) или коэффициент заполнения D.

Амплитуда в вольтах задается в зависимости от нагрузки. Она должна обеспечивать номинальное напряжение питания потребителя.

Частота сигнала, модулируемого по ширине импульса, выбирается из следующих соображений:

  1. Чем выше частота, тем выше точность регулирования.
  2. Частота не должна быть ниже времени реакции устройства, которым управляют с помощью ШИМ, иначе возникнут заметные пульсации регулируемого параметра.
  3. Чем выше частота, тем выше коммутационные потери. Он возникают из-за того, что время переключения ключа конечно. В запертом состоянии на ключевом элементе падает все напряжение питания, но ток почти отсутствует. В открытом состоянии через ключ протекает полный ток нагрузки, но падение напряжения невелико, так как проходное сопротивление составляет единицы Ом. И в том, и в другом случае рассеяние мощности незначительно. Переход от одного состояния к другому происходит быстро, но не мгновенно. В процессе отпирания-запирания на частично открытом элементе падает большое напряжение и одновременно через него идёт значительный ток. В это время рассеиваемая мощность достигает высоких значений. Этот период невелик, ключ не успевает значительно разогреться. Но с повышением частоты таких временных промежутков за единицу времени становится больше, и потери на тепло повышаются. Поэтому для построения ключей важно использование быстродействующих элементов.
  4. При управлении электродвигателем частоту приходится уводить за пределы слышимого человеком участка – 25 кГц и выше. Потому что при более низкой частоте ШИМ возникает неприятный свист.

Эти требования часто находятся в противоречии друг к другу, поэтому выбор частоты в некоторых случаях – это поиск компромисса.

Коэффициент заполнения ШИМ сигнала.

Величину модуляции характеризует скважность. Так как частота следования импульсов постоянна, то постоянна и длительность периода (T=1/f). Период состоит из импульса и паузы, имеющих длительность, соответственно, tимп и tпаузы, причем tимп+tпаузы=Т. Скважностью называется отношение длительности импульса к периоду – S=tимп/T. Но на практике оказалось удобнее пользоваться обратной величиной – коэффициентом заполнения: D=1/S=T/tимп. Еще удобнее выражать коэффициент заполнения в процентах.

Читайте также:  Что такое анод и катод?

Корректор коэффициента мощ­ности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощ­ности (рис. 5), собрано на основе специализированной микро­схемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагруз­кой, к синусоидальной.

Схема корректора мощности

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микро­схеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя час­тота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Back To Top