In tegenstelling tot traditionele lineaire voedingen, waarbij overtollige ongestabiliseerde spanning op een lineair doorlaatelement wordt gedoofd, gebruiken pulsvoedingen andere methoden en fysieke verschijnselen om een ​​gestabiliseerde spanning te genereren, namelijk: het effect van energieaccumulatie in inductoren, evenals de mogelijkheid van hoogfrequente transformatie en omzetting van geaccumuleerde energie in constante spanning. Er zijn drie typische schema's voor het construeren van gepulseerde voedingen (zie figuur 3.4-1): boost ( uitgangsspanning hoger dan de ingang), step-down (de uitgangsspanning is lager dan de ingang) en inverterend (de uitgangsspanning heeft de tegenovergestelde polariteit ten opzichte van de ingang). Zoals uit de figuur blijkt, verschillen ze alleen in de manier waarop ze de inductantie verbinden; anders blijft het werkingsprincipe namelijk ongewijzigd.

Het sleutelelement (meestal worden bipolaire of MOS-transistors gebruikt), werkend met een frequentie in de orde van 20-100 kHz, wordt periodiek gedurende een korte tijd toegepast (niet meer dan 50% van de tijd)

geeft de volledige ongestabiliseerde ingangsspanning aan de inductor. Pulsstroom. die door de spoel stroomt, zorgt voor de accumulatie van energiereserves in het magnetische veld van 1/2LI^2 bij elke puls. De op deze manier opgeslagen energie uit de spoel wordt overgedragen naar de belasting (hetzij rechtstreeks, met behulp van een gelijkrichtdiode, hetzij via de secundaire wikkeling met daaropvolgende gelijkrichting), de uitgangsafvlakfiltercondensator zorgt voor een constante uitgangsspanning en -stroom. Stabilisatie van de uitgangsspanning is verzekerd automatische aanpassing breedte of pulsherhalingssnelheid per sleutelelement(een feedbackcircuit is ontworpen om de uitgangsspanning te bewaken).

Dit, hoewel vrij complexe, schema kan de efficiëntie van het hele apparaat aanzienlijk verhogen. Het punt is dat, in in dit geval Behalve de belasting zelf, zijn er geen vermogenselementen in het circuit die aanzienlijk vermogen dissiperen. Sleuteltransistoren werken in de verzadigde schakelmodus (dat wil zeggen dat de spanningsval erover klein is) en dissiperen vermogen slechts in vrij korte tijdsintervallen (pulstijd). Bovendien is het door het verhogen van de conversiefrequentie mogelijk om het vermogen aanzienlijk te vergroten en de gewichts- en maatkenmerken te verbeteren.

Een belangrijk technologisch voordeel van pulsvoedingen is de mogelijkheid om op basis daarvan kleine netwerkvoedingen te bouwen met galvanische isolatie van het netwerk om een ​​grote verscheidenheid aan apparatuur van stroom te voorzien. Dergelijke IP's worden gebouwd zonder het gebruik van omvangrijke lage frequenties transformator volgens het hoogfrequentie-omzettercircuit. Dit is feitelijk typisch diagram gepulseerde voeding met spanningsreductie, waarbij de gelijkgerichte netspanning wordt gebruikt als ingangsspanning, en een hoogfrequente transformator (klein en met hoog rendement) wordt gebruikt als opslagelement, waarvan de secundaire wikkeling de uitgang stabiliseert spanning wordt verwijderd (deze transformator zorgt ook voor galvanische isolatie van het netwerk).

De nadelen van gepulseerde voedingen zijn onder meer: ​​de aanwezigheid van een hoog niveau van gepulseerde ruis aan de uitgang, hoge complexiteit en lage betrouwbaarheid (vooral bij ambachtelijke productie), de noodzaak om dure hoogfrequente hoogfrequente componenten te gebruiken, die in het geval van de kleinste storing mislukt gemakkelijk "en masse" (waarbij in dit geval in de regel indrukwekkende pyrotechnische effecten kunnen worden waargenomen). Degenen die zich graag met een schroevendraaier en een soldeerbout in de binnenkant van apparaten verdiepen, zullen uiterst voorzichtig moeten zijn bij het ontwerpen van netwerkgeschakelde voedingen, aangezien veel elementen van dergelijke circuits onder hoge spanning staan.

3.4.1 Efficiënte schakelregelaar met lage complexiteit

Op een elementbasis vergelijkbaar met die gebruikt in de hierboven beschreven lineaire stabilisator (Fig. 3.3-3), is het mogelijk om een ​​pulsspanningsstabilisator te bouwen. Met dezelfde kenmerken zal het aanzienlijk kleinere afmetingen en betere thermische omstandigheden hebben. Een schematisch diagram van een dergelijke stabilisator wordt getoond in Fig. 3.4-2. De stabilisator wordt geassembleerd volgens een standaard spanningsreductiecircuit (Fig. 3.4-1a).

Wanneer de condensator C4 voor het eerst wordt ingeschakeld en er een voldoende krachtige belasting op de uitgang is aangesloten, vloeit er stroom door de lineaire regelaar IC DA1. De door deze stroom veroorzaakte spanningsval over R1 ontgrendelt de sleuteltransistor VT1, die onmiddellijk in de verzadigingsmodus komt, aangezien de inductieve reactantie van L1 groot is en er voldoende door de transistor stroomt hoge stroom. De spanningsval over R5 opent het belangrijkste sleutelelement: transistor VT2. Huidig. toenemend in L1, laadt C4 op, terwijl via terugkoppeling op R8 de opname plaatsvindt

Schade aan de stabilisator en sleuteltransistor. De energie die in de spoel is opgeslagen, drijft de belasting aan. Wanneer de spanning op C4 onder de stabilisatiespanning daalt, gaan DA1 en de sleuteltransistor open. De cyclus wordt herhaald met een frequentie van 20-30 kHz.

Kring R3. R4, C2 stelt het uitgangsspanningsniveau in. Het kan binnen kleine grenzen soepel worden aangepast, van Uct DA1 tot Uin. Als Uout echter dicht bij Uin wordt geheven, treedt er enige instabiliteit op bij maximale belasting en verhoogd niveau pulsaties. Om hoogfrequente rimpelingen te onderdrukken, is filter L2, C5 aan de uitgang van de stabilisator opgenomen.

Het schema is vrij eenvoudig en het meest effectief voor dit complexiteitsniveau. Alle vermogenselementen VT1, VT2, VD1, DA1 zijn uitgerust met kleine radiatoren. De ingangsspanning mag niet hoger zijn dan 30 V, wat het maximum is voor KR142EN8-stabilisatoren. Gebruik gelijkrichterdiodes voor een stroomsterkte van minimaal 3 A.

3.4.2 Apparaat voor ononderbroken stroomvoorziening op basis van een schakelstabilisator

In afb. 3.4-3 stellen wij ter overweging een apparaat voor voor een ononderbroken stroomvoorziening van beveiligings- en videobewakingssystemen, gebaseerd op een pulsstabilisator gecombineerd met een oplader. De stabilisator omvat beveiligingssystemen tegen overbelasting, oververhitting, spanningspieken in de uitgangsspanning en kortsluiting.

De stabilisator heeft de volgende parameters:

Ingangsspanning, Uvx - 20-30 V:

Uitgangsgestabiliseerde spanning, Uvyx-12V:

Nominale belastingsstroom, Iload nominaal -5A;

Uitschakelstroom van hetm, Iprotect - 7A;.

Bedrijfsspanning van het, Uout-beveiliging - 13 V;

Maximale stroom batterij opladen, batterijlading max - 0,7 A;

Rimpel niveau. Opstoot - 100 mV,

Bedrijfstemperatuur van hetem, Tzasch - 120 C;

Schakelsnelheid naar batterijvoeding, tswitch - 10 ms (relais RES-b RFO.452.112).

Het werkingsprincipe van de pulsstabilisator in het beschreven apparaat is hetzelfde als dat van de hierboven gepresenteerde stabilisator.

Het apparaat wordt aangevuld met een oplader gemaakt op elementen DA2, R7, R8, R9, R10, VD2, C7. Spanningsstabilisator IC DA2 met stroomdeler op R7. R8 beperkt de maximale initiële laadstroom, de verdeler R9, R10 stelt de uitgangslaadspanning in, diode VD2 beschermt de batterij tegen zelfontlading bij afwezigheid van voedingsspanning.

Oververhittingsbeveiliging gebruikt thermistor R16 als temperatuursensor. Wanneer de bescherming wordt geactiveerd, wordt het geluidsalarm, gemonteerd op de DD 1 IC, ingeschakeld en tegelijkertijd wordt de belasting losgekoppeld van de stabilisator en wordt overgeschakeld op stroom van de batterij. De thermistor is gemonteerd op de radiator van transistor VT1. De fijnafstelling van het reactieniveau van de temperatuurbeveiliging wordt uitgevoerd door weerstand R18.

De spanningssensor wordt gemonteerd op de verdeler R13, R15. weerstand R15 stelt het exacte niveau van de overspanningsbeveiliging in (13 V). Als de spanning aan de uitgang van de stabilisator hoger wordt (als deze uitvalt), ontkoppelt relais S1 de belasting van de stabilisator en verbindt deze met de batterij. Als de voedingsspanning wordt uitgeschakeld, gaat relais S1 naar de "standaard" -status, d.w.z. verbindt de belasting met de accu.

Het hier getoonde diagram heeft dat niet elektronische bescherming door kortsluiting in de batterij. Deze rol wordt vervuld door een zekering in het voedingscircuit van de belasting, ontworpen voor het maximale stroomverbruik.

3.4.3 Voedingen op basis van hoogfrequente pulsomvormer

Heel vaak worden er bij het ontwerpen van apparaten strikte eisen gesteld aan de grootte van de stroombron. In dit geval is de enige oplossing het gebruik van een voeding op basis van hoogspannings- en hoogfrequente pulsomzetters. die zijn aangesloten op een ~220 V-netwerk zonder het gebruik van een grote laagfrequente step-down transformator en een hoog vermogen kunnen leveren met een klein formaat en warmteafvoer.

Blokschema van een typische pulsomvormer, aangedreven door industrieel netwerk weergegeven in figuur 34.4.

Het ingangsfilter is ontworpen om te voorkomen dat impulsruis het netwerk binnendringt. Stroomschakelaars leveren hoogspanningspulsen aan de primaire wikkeling van een hoogfrequente transformator (enkel- en

push-pull-circuits). De frequentie en duur van de pulsen worden ingesteld door een bestuurde generator (controle van de pulsbreedte wordt meestal gebruikt, minder vaak - frequentie). In tegenstelling tot laagfrequente sinusvormige signaaltransformatoren maken gepulseerde voedingen gebruik van breedbandapparaten die zorgen voor een efficiënte vermogensoverdracht op signalen met snelle flanken. Dit stelt aanzienlijke eisen aan het gebruikte type magnetische circuit en het ontwerp van de transformator. Aan de andere kant nemen bij toenemende frequentie de vereiste afmetingen van de transformator (met behoud van het uitgezonden vermogen) af (moderne materialen maken het mogelijk krachtige transformatoren te bouwen met een acceptabel rendement bij frequenties tot 100-400 kHz). Een bijzonder kenmerk van de uitgangsgelijkrichter is het gebruik van snelle Schottky-diodes in plaats van conventionele vermogensdiodes, wat te wijten is aan de hoge frequentie van de gelijkgerichte spanning. Het uitgangsfilter egaliseert de uitgangsspanningsrimpel. De feedbackspanning wordt vergeleken met een referentiespanning en bestuurt vervolgens de oscillator. Let op de aanwezigheid van galvanische isolatie in het feedbackcircuit, wat nodig is als we isolatie van de uitgangsspanning van het netwerk willen garanderen.

Bij de vervaardiging van dergelijke IP ontstaan ​​er ernstige eisen aan de gebruikte componenten (waardoor de kosten ervan stijgen in vergelijking met traditionele). Ten eerste betreft dit de bedrijfsspanning van de gelijkrichtdiodes, filtercondensatoren en sleuteltransistoren, die niet minder dan 350 V mag zijn om storingen te voorkomen. Ten tweede, hoogfrequente sleuteltransistors ( werkfrequentie 20-100 kHz) en speciale keramische condensatoren (conventionele oxide-elektrolyten zullen bij hoge frequenties oververhitten vanwege hun hoge inductie

activiteit). En ten derde moet de verzadigingsfrequentie van de hoogfrequente transformator, bepaald door het gebruikte type magnetische kern (in de regel worden ringkernen gebruikt) aanzienlijk hoger zijn dan de werkfrequentie van de omzetter.

In afb. 3.4-5 toont een schematisch diagram van een klassieke voeding op basis van een hoogfrequentieomvormer. Het filter, bestaande uit condensatoren C1, C2, SZ en smoorspoelen L1, L2, dient om het voedingsnetwerk te beschermen tegen hoogfrequente interferentie van de omzetter. De generator is opgebouwd volgens een zelf-oscillerend circuit en gecombineerd met een sleuteltrap. De sleuteltransistors VT1 en VT2 werken in tegenfase en openen en sluiten afwisselend. Het starten van de generator en een betrouwbare werking worden verzekerd door transistor VT3, die werkt in de lawine-afbraakmodus. Wanneer de spanning op C6 via R3 toeneemt, gaat de transistor open en wordt de condensator ontladen naar de basis van VT2, waardoor de generator wordt gestart. De feedbackspanning wordt verwijderd uit de extra (III) wikkeling van de vermogenstransformator Tpl.

Transistoren VT1. VT2 wordt geïnstalleerd op plaatradiatoren van minimaal 100 cm^2. Diodes VD2-VD5 met een Schottky-barrière worden op een kleine radiator 5 cm^2 geplaatst. Gegevens van smoorspoelen en transformatoren: L1-1. L2 wordt op ferrietringen 2000NM K12x8x3 in twee draden gewikkeld met behulp van PELSHO-draad 0,25: 20 windingen. TP1 - op twee samengevouwen ringen, ferriet 2000NN KZ 1x18,5x7;

wikkeling 1 - 82 windingen met PEV-2 0,5 draad: wikkeling II - 25+25 windingen met PEV-2 1,0 draad: wikkeling III - 2 windingen met PEV-2 0,3 draad. TP2 is gewikkeld op een ferrietring 2000NN K10x6x5. alle wikkelingen zijn gemaakt met PEV-2 0,3 draad: wikkeling 1 - 10 windingen:

wikkelingen II en III - elk 6 windingen, beide wikkelingen (II en III) zijn zo gewikkeld dat ze 50% van het oppervlak van de ring innemen zonder elkaar te raken of te overlappen, wikkeling I wordt gelijkmatig over de hele ring gewikkeld en geïsoleerd met een laag gelakte stof. Gelijkrichterfilterspoelen L3, L4 zijn gewikkeld op ferriet 2000NM K 12x8x3 met PEV-2 1.0-draad, het aantal windingen is 30. KT809A kan worden gebruikt als sleuteltransistors VT1, VT2. KT812, KT841.

De elementwaarden en wikkelingsgegevens van de transformatoren worden gegeven voor een uitgangsspanning van 35 V. In het geval dat andere bedrijfsparameterwaarden vereist zijn, moet het aantal windingen in wikkeling 2 Tr1 dienovereenkomstig worden gewijzigd.

Het beschreven circuit heeft aanzienlijke tekortkomingen, vanwege de wens om het aantal gebruikte componenten extreem te verminderen. Deze omvatten een laag niveau van uitgangsspanningsstabilisatie, onstabiele, onbetrouwbare werking en lage uitgangsstroom. Het is echter zeer geschikt voor het voeden van de eenvoudigste ontwerpen met verschillende vermogens (indien van toepassing). componenten worden gebruikt), zoals rekenmachines.

Een ander voedingscircuit gebaseerd op een hoogfrequente pulsomzetter wordt getoond in Fig. 3,4-6. Het belangrijkste verschil tussen dit schema en de standaardstructuur getoond in Fig. 3.4-4 is de afwezigheid van een feedbackcircuit. In dit opzicht is de spanningsstabiliteit op de uitgangswikkelingen van de HF-transformator Tr2 vrij laag en is het gebruik van secundaire stabilisatoren vereist (de schakeling maakt gebruik van universeel geïntegreerde stabilisatoren gebaseerd op de KR142-serie IC).

3.4.4 Schakelstabilisator met een sleutel-MIS-transistor met stroomaflezing.

Miniaturisatie en verhoogde efficiëntie bij de ontwikkeling en constructie van schakelende voedingen worden mogelijk gemaakt door het gebruik van een nieuwe klasse halfgeleideromvormers - MOS-transistors, evenals: hoogvermogendiodes met snel omgekeerd herstel, Schottky-diodes, ultrasnelle diodes, veldeffecttransistors met een geïsoleerde poort, geïntegreerde schakelingen voor het besturen van sleutelelementen. Al deze elementen zijn verkrijgbaar op de binnenlandse markt en kunnen worden gebruikt bij het ontwerpen van zeer efficiënte voedingen, omvormers, ontstekingssystemen voor verbrandingsmotoren (ICE) en lampstartsystemen daglicht(LDS). Een klasse stroomapparaten genaamd HEXSense - MOS-transistors met stroomdetectie - kan ook van groot belang zijn voor ontwikkelaars. Het zijn ideale schakelelementen voor kant-en-klare schakelende voedingen. De mogelijkheid om de stroom van schakeltransistors te lezen kan worden gebruikt bij schakelende voedingen om de stroomfeedback te leveren die nodig is voor een pulsbreedtemodulatiecontroller. Hierdoor wordt een vereenvoudiging van het ontwerp van de stroombron bereikt - de uitsluiting van stroomweerstanden en transformatoren ervan.

In afb. 3.4-7 toont het diagram puls bron voeding 230 W. De belangrijkste prestatiekenmerken zijn als volgt:

Ingangsspanning: -110V 60Hz:

Uitgangsspanning: 48 V DC:

Belastingsstroom: 4,8 A:

Schakelfrequentie: 110 kHz:

Efficiëntie bij volledige belasting : 78%;

Rendement bij 1/3 belasting: 83%.

De schakeling is gebouwd op basis van een pulsbreedtemodulator (PWM) met aan de uitgang een hoogfrequentieomvormer. Het werkingsprincipe is als volgt.

Het stuursignaal voor de sleuteltransistor komt van uitgang 6 van de PWM-controller DA1, de duty-cycle wordt beperkt tot 50% door weerstand R4, R4 en SZ zijn de timingelementen van de generator. De voeding voor DA1 wordt verzorgd door de keten VD5, C5, C6, R6. Weerstand R6 is ontworpen om voedingsspanning te leveren tijdens het opstarten van de generator, waarna spanningsfeedback via LI, VD5 wordt geactiveerd. Deze feedback wordt verkregen door de extra wikkeling van de uitgangssmoorspoel, die in de omgekeerde modus werkt. Naast het voeden van de generator, wordt de feedbackspanning via de keten VD4, Cl, Rl, R2 geleverd aan de spanningsfeedbackingang DA1 (pin 2). Via R3 en C2 wordt er voor compensatie gezorgd, wat de stabiliteit van de feedbacklus garandeert.

Op basis van dit circuit is het mogelijk om pulsstabilisatoren te bouwen met andere uitgangsparameters.

Het toepassingsgebied van schakelende voedingen in het dagelijks leven breidt zich voortdurend uit. Dergelijke bronnen worden gebruikt om alle moderne huishoudelijke en computerapparatuur van stroom te voorzien, om ononderbroken stroomvoorzieningen te implementeren, opladers voor batterijen voor verschillende doeleinden, implementatie van len voor andere behoeften.

In sommige gevallen is de aanschaf van een kant-en-klare voeding vanuit economisch of technisch oogpunt niet erg acceptabel en het monteren van een schakelbron met mijn eigen handen is de beste uitweg uit deze situatie. Deze optie wordt ook vereenvoudigd door de ruime beschikbaarheid van moderne componenten tegen lage prijzen.

De meest populaire in het dagelijks leven zijn gepulseerde stroombronnen die worden gevoed vanuit een standaardnetwerk. AC en een krachtige laagspanningsuitgang. Het blokschema van een dergelijke bron wordt getoond in de figuur.

De CB-netgelijkrichter zet de wisselspanning van het voedingsnetwerk om in gelijkspanning en strijkt de rimpelingen van de gelijkgerichte spanning aan de uitgang glad. De hoogfrequente VChP-omzetter zet gelijkgerichte spanning om in wissel- of unipolaire spanning, die de vorm heeft van rechthoekige pulsen met de vereiste amplitude.

Vervolgens wordt deze spanning, direct of na gelijkrichting (VN), toegevoerd aan een afvlakfilter, op de uitgang waarvan een belasting is aangesloten. De VChP wordt bestuurd door een besturingssysteem dat een feedbacksignaal ontvangt van de belastingsgelijkrichter.

Deze apparaatstructuur kan worden bekritiseerd vanwege de aanwezigheid van verschillende conversielinks, waardoor het aantal conversies afneemt Bronefficiëntie. Echter, met de juiste keuze halfgeleider elementen en hoogwaardige berekening en productie van wikkeleenheden, het niveau van vermogensverliezen in het circuit is laag, waardoor echte efficiëntiewaarden van meer dan 90% kunnen worden verkregen.

Schematische diagrammen van schakelende voedingen

Oplossingen voor structurele blokken omvatten niet alleen de reden voor het kiezen van circuitimplementatieopties, maar ook praktische aanbevelingen door de belangrijkste elementen te kiezen.

Gebruik een van de drie om de enkelfasige netwerkspanning te corrigeren klassieke schema's weergegeven in de afbeelding:

• halve golf;
• nul (volledige golf met een middelpunt);
• halve golf brug.

Elk van hen heeft voor- en nadelen die het toepassingsgebied bepalen.

Halve golfcircuit Het wordt gekenmerkt door eenvoudige implementatie en een minimaal aantal halfgeleidercomponenten. De belangrijkste nadelen van een dergelijke gelijkrichter zijn de aanzienlijke hoeveelheid uitgangsspanningsrimpels (in de gelijkgerichte is er slechts één halve golf netspanning) en lage rectificatiecoëfficiënt.

Rectificatiefactor Kv bepaald door de verhouding van de gemiddelde spanning aan de gelijkrichteruitgang Udк effectieve waarde van fasenetwerkspanning Op.

Voor een halvegolfschakeling is Kv = 0,45.

Om de rimpel aan de uitgang van zo'n gelijkrichter glad te strijken, zijn krachtige filters nodig.

Nul- of dubbelgolfcircuit met middelpunt Hoewel er tweemaal zoveel gelijkrichtdiodes nodig zijn, wordt dit nadeel grotendeels gecompenseerd door meer laag niveau rimpelingen van de gelijkgerichte spanning en een toename van de gelijkrichtingscoëfficiënt tot 0,9.

Het grootste nadeel van een dergelijk schema voor gebruik in huishoudelijke omstandigheden is de noodzaak om het middelpunt van de netspanning te organiseren, wat de aanwezigheid van een nettransformator impliceert. De afmetingen en het gewicht blijken onverenigbaar te zijn met het idee van een kleine zelfgemaakte gepulseerde bron.

Dubbelfasige brugschakeling rectificatie heeft dezelfde indicatoren in termen van rimpelniveau en rectificatiecoëfficiënt als het nulcircuit, maar vereist geen netwerkverbinding. Dit compenseert ook het belangrijkste nadeel: het verdubbelde aantal gelijkrichtdiodes, zowel qua efficiëntie als qua kosten.

Om gelijkgerichte spanningsrimpels glad te strijken de beste oplossing is het gebruik van een capacitief filter. Door het gebruik ervan kunt u de waarde van de gelijkgerichte spanning verhogen tot de amplitudewaarde van het netwerk (bij Uph = 220V Ufm = 314V). De nadelen van een dergelijk filter worden beschouwd als grote waarden van pulsstromen van de gelijkrichtelementen, maar dit nadeel is niet kritisch.

De selectie van gelijkrichtdiodes wordt uitgevoerd op basis van de gemiddelde voorwaartse stroom Ia en de maximale sperspanning UBM.

Door de waarde van de uitgangsspanningsrimpelcoëfficiënt Kp = 10% te nemen, verkrijgen we de gemiddelde waarde van de gelijkgerichte spanning Ud = 300V. Rekening houdend met het belastingsvermogen en de efficiëntie van de RF-omzetter (er wordt 80% meegenomen voor de berekening, maar in de praktijk zal dit hoger zijn, dit zal enige marge toestaan).

Ia is de gemiddelde stroom van de gelijkrichterdiode, Рн is het belastingsvermogen, η is het rendement van de RF-omzetter.

De maximale sperspanning van het gelijkrichterelement overschrijdt de amplitudewaarde van de netwerkspanning (314V) niet, waardoor componenten met een waarde van U BM =400V met een aanzienlijke marge kunnen worden gebruikt. U kunt zowel discrete diodes als kant-en-klare gelijkrichtbruggen van verschillende fabrikanten gebruiken.

Om een ​​bepaalde rimpel (10%) aan de uitgang van de gelijkrichter te garanderen, wordt de capaciteit van de filtercondensatoren genomen met een snelheid van 1 μF per 1 W uitgangsvermogen. Er worden elektrolytische condensatoren met een maximale spanning van minimaal 350V gebruikt. Filtercontainers voor diverse capaciteiten staan ​​in de tabel.

Hoogfrequentieomvormer: zijn functies en circuits

De hoogfrequentieomvormer is een eencyclus- of push-pull-schakelomvormer (omvormer) met een pulstransformator. Varianten van RF-omzettercircuits worden getoond in de figuur.

Enkelzijdig circuit. Ondanks het minimale aantal voedingselementen en het gemak van implementatie, heeft het verschillende nadelen.

1. De transformator in het circuit werkt in een privé-hysteresislus, waarvoor een toename van de omvang en het totale vermogen vereist is;
2. Om het uitgangsvermogen te garanderen, is het noodzakelijk om een ​​significante amplitude te verkrijgen van de pulsstroom die door de halfgeleiderschakelaar vloeit.

Het plan heeft zijn grootste toepassing in het klein gevonden krachtige apparaten ah, waar de invloed van deze tekortkomingen niet zo groot is.

Om zelf een nieuwe meter te vervangen of te installeren zijn geen speciale vaardigheden vereist. Als u de juiste kiest, zorgt u voor een correcte meting van het stroomverbruik en verhoogt u de veiligheid van het elektrische netwerk in uw huis.

IN moderne omstandigheden Bewegingssensoren worden steeds vaker gebruikt om zowel binnen als buiten voor verlichting te zorgen. Dit voegt niet alleen comfort en gemak toe aan onze huizen, maar stelt ons ook in staat aanzienlijk te besparen. Om te weten praktisch advies afhankelijk van de keuze van de installatielocatie en aansluitschema's kan dat.

Push-pull-circuit met het middelpunt van de transformator (push-pull). Het kreeg zijn tweede naam van de Engelse versie (push-pull) van de functiebeschrijving. Het circuit is vrij van de nadelen van de versie met één cyclus, maar heeft zijn eigen: een ingewikkeld ontwerp van de transformator (de vervaardiging van identieke secties van de primaire wikkeling is vereist) en verhoogde eisen voor maximale spanning sleutels. Anders verdient de oplossing aandacht en wordt deze veel gebruikt in schakelende voedingen, met de hand gemaakt en niet alleen.

Push-pull-halfbrugcircuit. De parameters van het circuit zijn vergelijkbaar met het circuit met een middelpunt, maar vereisen geen complexe configuratie van transformatorwikkelingen. Het inherente nadeel van het circuit is de noodzaak om het middelpunt van het gelijkrichterfilter te organiseren, wat een viervoudige toename van het aantal condensatoren met zich meebrengt.

Vanwege het gemak van implementatie wordt het circuit het meest gebruikt in schakelende voedingen met een vermogen tot 3 kW. Bij hoge vermogens worden de kosten van filtercondensatoren onaanvaardbaar hoog in vergelijking met halfgeleideromvormerschakelaars, en een brugcircuit blijkt het meest winstgevend.

Push-pull-brugcircuit. De parameters zijn vergelijkbaar met die van andere push-pull-circuits, maar het is niet nodig om kunstmatige “middenpunten” te creëren. De prijs hiervoor is het dubbele van het aantal stroomschakelaars, wat vanuit economisch en technisch oogpunt gunstig is voor het bouwen van krachtige gepulseerde bronnen.

De selectie van inverterschakelaars wordt uitgevoerd op basis van de amplitude van de collector(afvoer)stroom IKMAX en de maximale collector-emitterspanning U KEMAKH. Voor de berekening wordt gebruik gemaakt van het belastingsvermogen en de transformatieverhouding van de pulstransformator.

Eerst moet u echter de transformator zelf berekenen. De pulstransformator is gemaakt op een kern van ferriet, permalloy of transformatorijzer, gedraaid tot een ring. Voor vermogens tot enkele kW zijn ferrietkernen van het ring- of W-vormige type zeer geschikt. De transformator wordt berekend op basis van het benodigde vermogen en de conversiefrequentie. Om de schijn van akoestische ruis te elimineren, is het raadzaam om de conversiefrequentie buiten de limieten te brengen geluidsbereik(maak het boven 20 kHz).

Er moet aan worden herinnerd dat bij frequenties dichtbij 100 kHz de verliezen in magnetische ferrietkernen aanzienlijk toenemen. De berekening van de transformator zelf is niet moeilijk en kan gemakkelijk in de literatuur worden gevonden. In de onderstaande tabel vindt u enkele resultaten voor verschillende bronvermogens en magnetische circuits.

Er is gerekend met een conversiefrequentie van 50 kHz. Het is vermeldenswaard dat bij gebruik op hoge frequenties het effect van stroomverplaatsing naar het oppervlak van de geleider optreedt, wat leidt tot een afname van het effectieve oppervlak van de wikkeling. Om dit soort problemen te voorkomen en verliezen in de geleiders te verminderen, is het noodzakelijk om meerdere geleiders met een kleinere doorsnede te wikkelen. Bij een frequentie van 50 kHz is de toegestane diameter van de wikkeldraad niet groter dan 0,85 mm.

Als u het belastingsvermogen en de transformatieverhouding kent, kunt u de stroom in de primaire wikkeling van de transformator en de maximale collectorstroom van de aan / uit-schakelaar berekenen. De spanning op de transistor in gesloten toestand wordt hoger gekozen dan de gelijkgerichte spanning die met enige marge aan de ingang van de RF-omzetter wordt geleverd (U KEMAKH >=400V). Op basis van deze gegevens worden sleutels geselecteerd. Momenteel de beste optie is het gebruik van IGBT- of MOSFET-vermogenstransistors.

Voor gelijkrichtdiodes aan de secundaire zijde moet één regel worden gevolgd: hun maximale werkfrequentie moet hoger zijn dan de conversiefrequentie. Anders zal de efficiëntie van de uitgangsgelijkrichter en de omzetter als geheel aanzienlijk afnemen.

Video over het maken van een eenvoudig pulsvoedingsapparaat

Invoering

Schakelende voedingen vervangen nu vol vertrouwen verouderde lineaire voedingen. Reden - inherent aan deze krachtbronnen hoge prestaties, compactheid en verbeterde stabilisatieprestaties.

Met de snelle veranderingen die de voedingsprincipes hebben ondergaan elektronische technologie voor de laatste tijd wordt informatie over de berekening, constructie en gebruik van schakelende voedingen steeds relevanter.

Onlangs onder specialisten op het gebied van elektronica en radiotechniek, maar ook in industriële productie Schakelende voedingen zijn bijzonder populair geworden. Er is een tendens geweest om standaard omvangrijke transformatoreenheden achterwege te laten en over te schakelen op kleine ontwerpen van schakelende voedingen, spanningsomvormers, omzetters en omvormers.

Over het algemeen is het onderwerp schakelende voedingen behoorlijk relevant en interessant, en het is een van de belangrijkste gebieden vermogenselektronica. Dit gebied van de elektronica is veelbelovend en ontwikkelt zich snel. En het belangrijkste doel is het ontwikkelen van krachtige stroomapparaten die voldoen aan de moderne eisen op het gebied van betrouwbaarheid, kwaliteit, duurzaamheid en het minimaliseren van gewicht, omvang, energie en materiaalverbruik. Opgemerkt moet worden dat bijna alles moderne elektronica, inclusief allerlei computers, audio-, videoapparatuur en andere moderne apparaten Het wordt aangedreven door compacte schakelende voedingen, wat eens te meer de relevantie van de verdere ontwikkeling van dit gebied van voedingen bevestigt.

Werkingsprincipe van schakelende voedingen

De schakelende voeding is een invertersysteem. Bij schakelende voedingen wordt eerst de AC-ingangsspanning gelijkgericht. De resulterende gelijkspanning wordt omgezet naar vierkante pulsen verhoogde frequentie en een bepaalde duty-cycle, ofwel geleverd aan een transformator (in het geval van pulsvoedingen met galvanische scheiding van het voedingsnetwerk) of rechtstreeks aan het uitgangslaagdoorlaatfilter (bij pulsvoedingen zonder galvanische scheiding). Bij pulsvoedingen kunnen kleine transformatoren worden gebruikt - dit wordt verklaard door het feit dat bij toenemende frequentie de efficiëntie van de transformator toeneemt en de vereisten voor de afmetingen (doorsnede) van de kern die nodig zijn om equivalent vermogen te verzenden afnemen. In de meeste gevallen kan een dergelijke kern uit ferromagnetische materialen bestaan, in tegenstelling tot de kernen van laagfrequente transformatoren, waarvoor elektrisch staal wordt gebruikt.

Figuur 1 - Blokschema van een schakelende voeding

De netspanning wordt aan de gelijkrichter geleverd, waarna deze wordt afgevlakt door een capacitief filter. Vanaf de filtercondensator, waarvan de spanning toeneemt, wordt de gelijkgerichte spanning via de transformatorwikkeling toegevoerd aan de collector van de transistor, die als schakelaar fungeert. Het besturingsapparaat zorgt voor het periodiek in- en uitschakelen van de transistor. Om de voeding betrouwbaar te starten, wordt een op een microschakeling gemaakte master-oscillator gebruikt. De pulsen worden aan de basis van de sleuteltransistor geleverd en veroorzaken het starten van de bedrijfscyclus van de autogenerator. Het besturingsapparaat is verantwoordelijk voor het bewaken van het uitgangsspanningsniveau, het genereren van een foutsignaal en vaak directe controle sleutel. De masteroscillatormicroschakeling wordt gevoed door een reeks weerstanden rechtstreeks vanaf de ingang van de opslagcondensator, waardoor de spanning wordt gestabiliseerd met de referentiecapaciteit. De hoofdoscillator en sleuteltransistor zijn verantwoordelijk voor de werking van de optocoupler. secundair circuit. Hoe opener de transistoren die verantwoordelijk zijn voor de werking van de optocoupler, hoe kleiner de amplitude van de feedbackpulsen, hoe eerder de vermogenstransistor zal uitschakelen en hoe minder energie zich zal ophopen in de transformator, waardoor de toename van de spanning aan de uitgang zal stoppen van de bron. De bedrijfsmodus van de voeding is gearriveerd, waarbij een belangrijke rol wordt gespeeld door de optocoupler, als regelaar en beheerder van de uitgangsspanningen.

De specificatie van een industriële stroomvoorziening is strenger dan die van een reguliere huishoudelijke stroomvoorziening. Dit uit zich niet alleen in het feit dat er een hoge spanning staat aan de ingang van de stroombron driefasige spanning, maar ook dat industriële voedingen ook bij een significante afwijking van de ingangsspanning operationeel moeten blijven nominale waarde, inclusief spanningsdalingen en -pieken, evenals verlies van een of meer fasen.

Figuur 2 - Schematisch diagram van een schakelende voeding.

Het schema werkt als volgt. De driefasige ingang kan driedraads, vierdraads of zelfs enkelfasig worden uitgevoerd. De driefasige gelijkrichter bestaat uit diodes D1 - D8.

Weerstanden R1 - R4 bieden overspanningsbeveiliging. Het gebruik van beveiligingsweerstanden met overbelastingsuitschakeling maakt onnodig gebruik aparte zekeringverbindingen. De gelijkgerichte ingangsspanning wordt gefilterd door een U-vormig filter bestaande uit C5, C6, C7, C8 en L1.

Weerstanden R13 en R15 egaliseren de spanning over de ingangsfiltercondensatoren.

Wanneer de MOSFET van de U1-chip opent, neemt de bronpotentiaal van Q1 af, de poortstroom wordt geleverd door respectievelijk de weerstanden R6, R7 en R8, de capaciteit van de overgangen VR1 ... VR3 ontgrendelt Q1. Zenerdiode VR4 beperkt de source-gate-spanning die op Q1 wordt aangelegd. Wanneer MOSFET U1 wordt uitgeschakeld, wordt de afvoerspanning beperkt tot 450 volt door het begrenzingscircuit VR1, VR2, VR3. Eventuele extra spanning aan het einde van de wikkeling wordt door Q1 afgevoerd. Deze verbinding verdeelt effectief de totale gelijkgerichte spanning over Q1 en U1.

Het absorptiecircuit VR5, D9, R10 absorbeert de overtollige spanning op de primaire wikkeling als gevolg van de inductielekkage van de transformator tijdens de omgekeerde slag.

Uitgangsgelijkrichting wordt uitgevoerd door diode D1. C2 - uitgangsfilter. L2 en C3 vormen de tweede filtertrap om de instabiliteit van de uitgangsspanning te verminderen.

VR6 begint te geleiden wanneer de uitgangsspanning de daling over VR6 en de optocoupler overschrijdt. Een verandering in de uitgangsspanning veroorzaakt een verandering in de stroom die door de optokoppeldiode U2 vloeit, wat op zijn beurt een verandering in de stroom door de optokoppeltransistor U2 veroorzaakt. Wanneer deze stroom de drempelwaarde op de FB-pin van U1 overschrijdt, wordt de volgende werkcyclus overgeslagen. Het gespecificeerde uitgangsspanningsniveau wordt gehandhaafd door het aantal gemiste en voltooide werkcycli te regelen. Zodra de duty-cycle is begonnen, eindigt deze wanneer de stroom door U1 de ingestelde interne limiet bereikt. R11 beperkt de stroom door de optocoupler en stelt de feedbackversterking in. Weerstand R12 zorgt voor voorspanning voor VR6.

Dit circuit is beschermd tegen breuk van de feedbacklus, kortsluiting in de uitgang en overbelasting dankzij de functies die in U1 (LNK304) zijn ingebouwd. Omdat de microschakeling rechtstreeks vanaf de afvoerpin wordt gevoed, is een aparte stroomwikkeling niet vereist.

Bij schakelende voedingen wordt de spanningsstabilisatie verzekerd door middel van negatieve feedback. Met feedback kunt u de uitgangsspanning op een relatief constant niveau houden, ongeacht schommelingen in de ingangsspanning en de belastingsgrootte. Feedback kan geregeld worden op verschillende manieren. In het geval van gepulseerde bronnen met galvanische scheiding van het voedingsnetwerk zijn de meest gebruikelijke methoden het gebruik van communicatie via een van de uitgangswikkelingen van de transformator of het gebruik van een optocoupler. Afhankelijk van de grootte van het feedbacksignaal (afhankelijk van de uitgangsspanning) verandert de duty-cycle van de pulsen aan de uitgang van de PWM-controller. Als ontkoppeling niet nodig is, wordt in de regel een eenvoudige resistieve spanningsdeler gebruikt. Zo behoudt de voeding een stabiele uitgangsspanning.

• Invoering
• Conclusie

Invoering

Schakelende voedingen vervangen nu vol vertrouwen verouderde lineaire voedingen. De reden hiervoor zijn de hoge prestaties, compactheid en verbeterde stabilisatie-eigenschappen die inherent zijn aan deze voedingen.

Met de snelle veranderingen die de principes van stroomvoorziening voor elektronische apparatuur de laatste tijd hebben ondergaan, wordt informatie over de berekening, constructie en gebruik van schakelende voedingen steeds relevanter.

Onlangs zijn schakelende voedingen bijzonder populair geworden onder specialisten op het gebied van elektronica en radiotechniek, maar ook in de industriële productie. Er is een tendens geweest om standaard omvangrijke transformatoreenheden achterwege te laten en over te schakelen op kleine ontwerpen van schakelende voedingen, spanningsomvormers, omzetters en omvormers.

Over het algemeen is het onderwerp schakelende voedingen behoorlijk relevant en interessant, en het is een van de belangrijkste gebieden van de vermogenselektronica. Dit gebied van de elektronica is veelbelovend en ontwikkelt zich snel. En het belangrijkste doel is het ontwikkelen van krachtige stroomapparaten die voldoen aan de moderne eisen op het gebied van betrouwbaarheid, kwaliteit, duurzaamheid en het minimaliseren van gewicht, omvang, energie en materiaalverbruik. Opgemerkt moet worden dat bijna alle moderne elektronica, inclusief allerlei computers, audio-, videoapparatuur en andere moderne apparaten, worden aangedreven door compacte schakelende voedingen, wat eens te meer de relevantie van de verdere ontwikkeling van dit gebied van voedingen bevestigt. .

1. Werkingsprincipe van schakelende voedingen

De schakelende voeding is een invertersysteem. Bij schakelende voedingen wordt eerst de AC-ingangsspanning gelijkgericht. De resulterende gelijkspanning wordt omgezet in rechthoekige pulsen met een hoge frequentie en een bepaalde werkcyclus, ofwel geleverd aan een transformator (in het geval van gepulseerde voedingen met galvanische isolatie van het voedingsnetwerk) of rechtstreeks aan het uitgangslaagdoorlaatfilter (bij gepulseerde voedingen zonder galvanische scheiding). Bij pulsvoedingen kunnen kleine transformatoren worden gebruikt - dit wordt verklaard door het feit dat bij toenemende frequentie de efficiëntie van de transformator toeneemt en de vereisten voor de afmetingen (doorsnede) van de kern die nodig zijn om equivalent vermogen te verzenden afnemen. In de meeste gevallen kan een dergelijke kern uit ferromagnetische materialen bestaan, in tegenstelling tot de kernen van laagfrequente transformatoren, waarvoor elektrisch staal wordt gebruikt.

Figuur 1 - Blokschema van een schakelende voeding

De netspanning wordt aan de gelijkrichter geleverd, waarna deze wordt afgevlakt door een capacitief filter. Vanaf de filtercondensator, waarvan de spanning toeneemt, wordt de gelijkgerichte spanning via de transformatorwikkeling toegevoerd aan de collector van de transistor, die als schakelaar fungeert. Het besturingsapparaat zorgt voor het periodiek in- en uitschakelen van de transistor. Om de voeding betrouwbaar te starten, wordt een op een microschakeling gemaakte master-oscillator gebruikt. De pulsen worden aan de basis van de sleuteltransistor geleverd en veroorzaken het starten van de bedrijfscyclus van de autogenerator. Het bedieningsapparaat is verantwoordelijk voor het bewaken van het uitgangsspanningsniveau, het genereren van een foutsignaal en het vaak rechtstreeks besturen van de sleutel. De hoofdoscillatormicroschakeling wordt gevoed door een reeks weerstanden rechtstreeks vanaf de ingang van de opslagcondensator, waardoor de spanning wordt gestabiliseerd met de referentiecapaciteit. De hoofdoscillator en de sleuteltransistor van het secundaire circuit zijn verantwoordelijk voor de werking van de optocoupler. Hoe opener de transistoren die verantwoordelijk zijn voor de werking van de optocoupler, hoe kleiner de amplitude van de feedbackpulsen, hoe eerder de vermogenstransistor zal uitschakelen en hoe minder energie zich zal ophopen in de transformator, waardoor de toename van de spanning aan de uitgang zal stoppen van de bron. De bedrijfsmodus van de voeding is gearriveerd, waarbij een belangrijke rol wordt gespeeld door de optocoupler, als regelaar en beheerder van de uitgangsspanningen.

De specificatie van een industriële stroomvoorziening is strenger dan die van een reguliere huishoudelijke stroomvoorziening. Dit komt niet alleen tot uiting in het feit dat er een hoge driefasige spanning staat aan de ingang van de stroombron, maar ook in het feit dat industriële voedingen ook bij een significante afwijking van de ingangsspanning van de nominale waarde operationeel moeten blijven. , inclusief spanningsdalingen en -pieken, evenals het verlies van een of meer fasen.

Figuur 2 - Schematisch diagram van een schakelende voeding.

Het schema werkt als volgt. De driefasige ingang kan driedraads, vierdraads of zelfs enkelfasig worden uitgevoerd. De driefasige gelijkrichter bestaat uit diodes D1 - D8.

Weerstanden R1 - R4 bieden overspanningsbeveiliging. Het gebruik van beveiligingsweerstanden met uitschakeling bij overbelasting maakt het gebruik van afzonderlijke zekeringen overbodig. De gelijkgerichte ingangsspanning wordt gefilterd door een U-vormig filter bestaande uit C5, C6, C7, C8 en L1.

Weerstanden R13 en R15 egaliseren de spanning over de ingangsfiltercondensatoren.

Wanneer de MOSFET van de U1-chip opent, neemt de bronpotentiaal van Q1 af, de poortstroom wordt geleverd door respectievelijk de weerstanden R6, R7 en R8, de capaciteit van de overgangen VR1 ... VR3 ontgrendelt Q1. Zenerdiode VR4 beperkt de source-gate-spanning die op Q1 wordt aangelegd. Wanneer MOSFET U1 wordt uitgeschakeld, wordt de afvoerspanning beperkt tot 450 volt door het begrenzingscircuit VR1, VR2, VR3. Eventuele extra spanning aan het einde van de wikkeling wordt door Q1 afgevoerd. Deze verbinding verdeelt effectief de totale gelijkgerichte spanning over Q1 en U1.

Het absorptiecircuit VR5, D9, R10 absorbeert de overtollige spanning op de primaire wikkeling als gevolg van de inductielekkage van de transformator tijdens de omgekeerde slag.

Uitgangsgelijkrichting wordt uitgevoerd door diode D1. C2 - uitgangsfilter. L2 en C3 vormen de tweede filtertrap om de instabiliteit van de uitgangsspanning te verminderen.

VR6 begint te geleiden wanneer de uitgangsspanning de daling over VR6 en de optocoupler overschrijdt. Een verandering in de uitgangsspanning veroorzaakt een verandering in de stroom die door de optokoppeldiode U2 vloeit, wat op zijn beurt een verandering in de stroom door de optokoppeltransistor U2 veroorzaakt. Wanneer deze stroom de drempelwaarde op de FB-pin van U1 overschrijdt, wordt de volgende werkcyclus overgeslagen. Het gespecificeerde uitgangsspanningsniveau wordt gehandhaafd door het aantal gemiste en voltooide werkcycli te regelen. Zodra de duty-cycle is begonnen, eindigt deze wanneer de stroom door U1 de ingestelde interne limiet bereikt. R11 beperkt de stroom door de optocoupler en stelt de feedbackversterking in. Weerstand R12 zorgt voor voorspanning voor VR6.

Dit circuit is beschermd tegen breuk van de feedbacklus, kortsluiting in de uitgang en overbelasting dankzij de functies die in U1 (LNK304) zijn ingebouwd. Omdat de microschakeling rechtstreeks vanaf de afvoerpin wordt gevoed, is een aparte stroomwikkeling niet vereist.

Bij schakelende voedingen wordt de spanningsstabilisatie verzekerd door middel van negatieve feedback. Met feedback kunt u de uitgangsspanning op een relatief constant niveau houden, ongeacht schommelingen in de ingangsspanning en de belastingsgrootte. Feedback kan op verschillende manieren worden georganiseerd. In het geval van gepulseerde bronnen met galvanische scheiding van het voedingsnetwerk zijn de meest gebruikelijke methoden het gebruik van communicatie via een van de uitgangswikkelingen van de transformator of het gebruik van een optocoupler. Afhankelijk van de grootte van het feedbacksignaal (afhankelijk van de uitgangsspanning) verandert de duty-cycle van de pulsen aan de uitgang van de PWM-controller. Als ontkoppeling niet nodig is, wordt in de regel een eenvoudige resistieve spanningsdeler gebruikt. Zo behoudt de voeding een stabiele uitgangsspanning.

2. Basisparameters en kenmerken van schakelende voedingen

De classificatie van schakelende voedingen (SMPS) gebeurt op basis van verschillende belangrijkste criteria:

Op type ingangs- en uitgangsspanning;

Volgens typologie;

Volgens de vorm van de uitgangsspanning;

Per type voedingscircuit;

Door belastingsspanning;

Door belastingsvermogen;

Op type belastingsstroom;

Op aantal uitgangen;

In termen van spanningsstabiliteit over de belasting.

Op type ingangs- en uitgangsspanning

1. AC/DC zijn omvormers AC-spanning tot permanent. Dergelijke converters worden het meest gebruikt verschillende gebieden- Dit zijn industriële automatisering, telecommunicatieapparatuur, besturings- en meetapparatuur, industriële apparatuur voor gegevensverwerking, beveiligingsapparatuur en apparatuur voor speciale doeleinden.

2. DC/DC zijn DC/DC-converters. Dergelijke DC/DC-converters maken gebruik van pulstransformatoren met twee of meer wikkelingen en er is geen verbinding tussen de ingangs- en uitgangscircuits. Pulstransformatoren hebben een groot potentiaalverschil tussen de in- en uitgang van de omzetter. Een voorbeeld van hun toepassing zou een voedingseenheid (PSU) kunnen zijn voor gepulseerde fotoflitsen met een uitgangsspanning van ongeveer 400 V.

3. DC/AC zijn DC/AC-converters (omvormer). Het belangrijkste toepassingsgebied van omvormers is werk in rollend materieel van spoorwegen en ander voertuigen, met een ingebouwde gelijkstroomvoeding. Ze kunnen ook worden gebruikt als hoofdconverters als onderdeel van back-upvoedingen.

Dankzij de hoge overbelastingscapaciteit kan een breed scala aan apparaten en apparatuur van stroom worden voorzien, waaronder condensatormotoren voor koel- en airconditioningcompressoren.

Door typologie IIP's worden als volgt geclassificeerd:

flyback-converters;

voorwaartse pulsomzetters (voorwaartse converter);

converters met push-pull-uitgang;

converters met halve bruguitgang (halfbridgeconverter);

converters met bruguitgang (fullbridgeconverter).

Volgens de vorm van de uitgangsspanning IIP's worden als volgt geclassificeerd:

1. Met gemodificeerde sinusgolf

2. Met een sinusoïde van de juiste vorm.

Figuur 3 - Uitgangsgolfvormen

Per type voedingscircuit:

SMPS die elektrische energie gebruiken die is verkregen uit eenfasig netwerk AC;

SMPS die elektrische energie gebruiken die is verkregen uit driefasig netwerk AC;

SMPS die elektrische energie gebruiken uit een autonome gelijkstroombron.

Door belastingsspanning:

Door belastingsvermogen:

SMPS met laag vermogen (tot 100 W);

SMPS met gemiddeld vermogen (van 100 tot 1000 W);

SMPS met hoog vermogen (meer dan 1000 W).

Op type belastingsstroom:

SMPS met AC-uitgang;

SMPS met DC-uitgang;

SMPS met AC- en DC-uitgang.

Op aantal uitgangen:

eenkanaals SMPS met één DC- of AC-uitgang;

meerkanaals SMPS met twee of meer uitgangsspanningen.

In termen van spanningsstabiliteit over de belasting:

gestabiliseerde SMPS;

ongestabiliseerde SMPS.

3. Basismethoden voor het construeren van schakelende voedingen

De onderstaande figuur zal het laten zien verschijning schakelende voeding.

Figuur 4 - Schakelende voeding

Om te beginnen dus algemene schets Laten we aangeven welke hoofdmodules zich in een schakelende voedingseenheid bevinden. IN standaard versie De schakelende voeding kan in drie functionele delen worden verdeeld. Dit:

1. PWM-controller (PWM), op basis waarvan een master-oscillator wordt samengesteld, meestal met een frequentie van ongeveer 30...60 kHz;

2. Een cascade van stroomschakelaars, waarvan de rol kan worden vervuld door krachtige bipolaire, veldeffect- of IGBT-transistors (bipolaire geïsoleerde poort); deze vermogenstrap kan een extra stuurcircuit voor dezelfde schakelaars bevatten met behulp van geïntegreerde stuurprogramma's of transistors met laag vermogen; Ook het circuit voor het aansluiten van stroomschakelaars is belangrijk: brug (volledige brug), halve brug (halve brug) of met een middelpunt (push-pull);

3. Pulstransformator met primaire (s) en secundaire (s) wikkeling (en) en dienovereenkomstig gelijkrichterdiodes, filters, stabilisatoren, enz. bij de uitgang; ferriet of alsifer wordt meestal als kern gekozen; in het algemeen de magnetische materialen die op hoge frequenties kunnen werken (in sommige gevallen boven 100 kHz).

Er zijn drie manieren om gepulseerde voedingen te construeren (zie figuur 3): step-up (de uitgangsspanning is hoger dan de ingangsspanning), step-down (de uitgangsspanning is lager dan de ingangsspanning) en inverteren (de uitgangsspanning heeft de tegenovergestelde polariteit als de ingang). Zoals uit de figuur blijkt, verschillen ze alleen in de manier waarop ze de inductantie verbinden; anders blijft het werkingsprincipe namelijk ongewijzigd.

schakelende voedingsspanning

Figuur 5 - Typische blokdiagrammen van schakelende voedingen

Het sleutelelement (meestal worden bipolaire of MIS-transistors gebruikt), werkend met een frequentie in de orde van 20-100 kHz, past periodiek de volledige ongestabiliseerde ingangsspanning toe op de inductor gedurende een korte tijd (niet meer dan 50% van de tijd) . De gepulseerde stroom die door de spoel vloeit, zorgt voor de accumulatie van energiereserves in het magnetische veld van 1/2LI^2 bij elke puls. De op deze manier opgeslagen energie uit de spoel wordt overgedragen naar de belasting (hetzij rechtstreeks, met behulp van een gelijkrichtdiode, hetzij via de secundaire wikkeling met daaropvolgende gelijkrichting), de uitgangsafvlakfiltercondensator zorgt voor een constante uitgangsspanning en -stroom. Stabilisatie van de uitgangsspanning wordt verzekerd door automatische aanpassing van de pulsbreedte of frequentie op het sleutelelement (een feedbackcircuit is ontworpen om de uitgangsspanning te bewaken).

Dit, hoewel vrij complexe, schema kan de efficiëntie van het hele apparaat aanzienlijk verhogen. Feit is dat er in dit geval, naast de belasting zelf, geen vermogenselementen in het circuit zijn die aanzienlijk vermogen dissiperen. Sleuteltransistoren werken in de verzadigde schakelmodus (dat wil zeggen dat de spanningsval erover klein is) en dissiperen vermogen slechts in vrij korte tijdsintervallen (pulstijd). Bovendien is het door het verhogen van de conversiefrequentie mogelijk om het vermogen aanzienlijk te vergroten en de gewichts- en maatkenmerken te verbeteren.

Een belangrijk technologisch voordeel van pulsvoedingen is de mogelijkheid om op basis daarvan kleine netwerkvoedingen te bouwen met galvanische isolatie van het netwerk om een ​​grote verscheidenheid aan apparatuur van stroom te voorzien. Dergelijke voedingen worden gebouwd zonder het gebruik van een omvangrijke laagfrequente stroomtransformator met behulp van een hoogfrequent omzetcircuit. Dit is in feite een typisch schakelend voedingscircuit met spanningsreductie, waarbij gelijkgerichte netspanning als ingangsspanning wordt gebruikt en een hoogfrequente transformator (klein en met hoog rendement) wordt gebruikt als opslagelement, van de secundaire wikkeling waarvan de uitgangsgestabiliseerde spanning is verwijderd (deze transformator zorgt ook voor galvanische isolatie van het netwerk).

De nadelen van gepulseerde voedingen zijn onder meer: ​​de aanwezigheid hoog niveau impulsgeluid aan de uitgang, hoge complexiteit en lage betrouwbaarheid (vooral bij ambachtelijke productie), de noodzaak om dure hoogspannings- en hoogfrequente componenten te gebruiken, die bij de geringste storing gemakkelijk “en masse” uitvallen (in in dit geval kunnen in de regel indrukwekkende pyrotechnische effecten worden waargenomen). Degenen die zich graag met een schroevendraaier en een soldeerbout in de binnenkant van apparaten verdiepen, zullen uiterst voorzichtig moeten zijn bij het ontwerpen van netwerkgeschakelde voedingen, aangezien veel elementen van dergelijke circuits onder hoge spanning staan.

4. Verschillende circuitoplossingen voor schakelende voedingen

Het SMPS-diagram van de jaren 90 wordt getoond in figuur 6. De voeding bevat een netwerkgelijkrichter VD1-VD4, een ruisonderdrukkingsfilter L1C1-SZ, een omzetter op basis van een schakeltransistor VT1 en een pulstransformator T1, een uitgangsgelijkrichter VD8 met een filter C9C10L2 en een stabilisatie-eenheid gemaakt op de stabilisator DA1 en optocoupler U1.

Figuur 6 - Schakelende voeding uit de jaren negentig

Het SMPS-diagram wordt getoond in figuur 7. Zekering FU1 beschermt elementen tegen noodsituaties. Thermistor RK1 begrenst de puls laadstroom condensator C2 naar een waarde die veilig is voor de diodebrug VD1, en vormt samen met condensator C1 een RC-filter, dat dient om impulsruis te verminderen die vanuit de SMPS in het netwerk binnendringt. Diodebrug VD1 zorgt voor gelijkrichting van de netspanning, condensator C2 is afvlakkend. Spanningspieken in de primaire wikkeling van transformator T1 worden verminderd door het dempingscircuit R1C5VD2. Condensator C4 is een vermogensfilter waaruit de interne elementen van de DA1-chip worden gevoed.

De uitgangsgelijkrichter is gemonteerd op een Schottky-diode VD3, de uitgangsspanningsrimpel wordt afgevlakt door het LC-filter C6C7L1C8. Elementen R2, R3, VD4 en U1 zorgen samen met de DA1-microschakeling voor stabilisatie van de uitgangsspanning wanneer de belastingsstroom en netspanning veranderen. Het inschakelindicatiecircuit wordt gemaakt met behulp van LED HL1 en stroombegrenzende weerstand R4.

Figuur 7 - Schakelende voeding uit de jaren 2000

Figuur 8 toont een push-pull-schakelende voeding met een halve brugaansluiting van de eindtrap, bestaande uit twee krachtige MOSFET IRFP460. Als PWM-controller werd gekozen voor de K1156EU2R-microschakeling.

Bovendien wordt met behulp van een relais en begrenzingsweerstand R1 aan de ingang een zachte start geïmplementeerd, die plotselinge stroompieken vermijdt. Het relais kan worden gebruikt voor spanningen van zowel 12 als 24 volt met de keuze van weerstand R19. Varistor RU1 beschermt het ingangscircuit tegen pulsen met een te hoge amplitude. De condensatoren C1-C4 en de tweewikkelige inductor L1 vormen een netwerkruisonderdrukkingsfilter dat de penetratie van hoogfrequente rimpelingen, gecreëerd door de omzetter, in het voedingsnetwerk voorkomt.

Trimmerweerstand R16 en condensator C12 bepalen de conversiefrequentie.

Om de zelfinductie-emf van transformator T2 te verminderen, zijn demperdiodes VD7 en VD8 parallel aan de transistorkanalen geschakeld. Schottky-diodes VD2 en VD3 beschermen de schakeltransistoren en uitgangen van de sperspanningschip DA2 tegen pulsen.

Figuur 8 - Moderne schakelende voeding

Conclusie

In de loop van mijn onderzoekswerk heb ik onderzoek gedaan naar schakelende voedingen, waardoor ik de bestaande circuits van deze apparaten kon analyseren en passende conclusies kon trekken.

Schakelende voedingen hebben veel grote voordelen vergeleken met anderen - ze hebben meer hoge efficiëntie, ze hebben een aanzienlijk kleinere massa en volume, bovendien hebben ze veel lagere kosten, wat uiteindelijk leidt tot hun relatief lage prijs voor consumenten en dienovereenkomstig tot een grote vraag op de markt.

Veel moderne elektronische componenten die in moderne elektronische apparaten en systemen worden gebruikt, vereisen stroom van hoge kwaliteit. Bovendien moet de uitgangsspanning (stroom) stabiel zijn, de vereiste vorm hebben (bijvoorbeeld voor omvormers) en een minimaal rimpelniveau hebben (bijvoorbeeld voor gelijkrichters).

Schakelende voedingen vormen dus een integraal onderdeel van alle elektronische apparaten en systemen die worden gevoed door zowel een industrieel 220 V-netwerk als andere energiebronnen. Tegelijkertijd operationele betrouwbaarheid elektronisch apparaat hangt rechtstreeks af van de kwaliteit van de stroombron.

De ontwikkeling van nieuwe en verbeterde schakelende voedingscircuits zal dus de technische en prestatiekenmerken elektronische apparaten en systemen.

Lijst met gebruikte literatuur

1. Gurevich V.I. Betrouwbaarheid vanapparaten: mythen en realiteit. - Energieproblemen, 2008, nr. 5-6, blz. 47-62.

2. Stroomvoorziening [Elektronische hulpbron] // Wikipedia. - Toegangsmodus: http://ru. wikipedia.org/wiki/Power_source

3. Secundaire stroombron [Elektronische hulpbron] // Wikipedia. - Toegangsmodus: http://ru. wikipedia.org/wiki/Secondary_power_source

4. Hoogspanningsvoedingen [Elektronische hulpbron] // Optosystems LLC - Toegangsmodus: http://www.optosystems.ru/power _supplies_about. php

5. Efimov I.P. Energiebronnen - Ulyanovsk State Technical University, 2001, pp. 3-13.

6. Toepassingsgebieden van voedingen [Elektronische hulpbron] - Toegangsmodus: http://www.power2000.ru/apply_obl.html

7. Computerblokken power [Elektronische hulpbron] - Toegangsmodus: http://offline.computerra.ru/2002/472/22266/

8. Evolutie van schakelende voedingen [Elektronische hulpbron] - Toegangsmodus: http://www.power-e.ru/2008_4_26. php

9. Werkingsprincipe van schakelende voedingen [Elektronische hulpbron] - Toegangsmodus: http://radioginn. ucoz.ru/publ/1-1-0-1

Soortgelijke documenten

Concept, doel en classificatie van secundaire stroombronnen. Structureel en schakelschema's een secundaire stroombron die werkt vanuit een gelijkstroomnetwerk en een wisselspanningsuitgang produceert. Berekening van stroombronparameters.

cursuswerk, toegevoegd op 28-01-2014


Secundaire voedingen als integraal onderdeel van elk elektronisch apparaat. Overweging van halfgeleiderconverters die AC- en DC-systemen verbinden. Analyse van de principes van het construeren van circuits van gepulseerde bronnen.

proefschrift, toegevoegd op 17-02-2013


Stroomvoorziening als een apparaat dat is ontworpen om apparatuur van stroom te voorzien elektrische energie. Het omzetten van de wisselstroomfrequentiespanning in pulserende gelijkspanning met behulp van gelijkrichters. Gelijkstroomspanningsstabilisatoren.

samenvatting, toegevoegd 02/08/2013


Stabilisatie van de gemiddelde uitgangsspanning van de secundaire voeding. Minimale spanningsstabilisatiefactor. Compenserende spanningsstabilisator. Maximale collectorstroom van de transistor. Anti-aliasing filtercoëfficiënt.

test, toegevoegd op 19-12-2010


Combineert gelijkrichtfuncties met regeling of stabilisatie van de uitgangsspanning. Ontwikkeling van een elektrisch structureel circuit voor een stroombron. Step-down transformator en keuze van de basis van het voedingselement. Berekening van een transformator met laag vermogen.

cursuswerk, toegevoegd op 16-07-2012


Berekening van de transformator en parameters van de geïntegreerde spanningsstabilisator. Fundamenteel elektrisch schema voeding. Berekening van parameters van een ongecontroleerde gelijkrichter en afvlakfilter. Selectie van gelijkrichtdiodes, selectie van magnetische circuitgroottes.

cursuswerk, toegevoegd op 14-12-2013


Analyse van het systeem van secundaire voedingen van het Strela-10 luchtafweerraketsysteem. Kenmerken van schematische pulsstabilisatoren. Analyse van de werking van een gemoderniseerde spanningsstabilisator. Berekening van de elementen en belangrijkste parameters.

proefschrift, toegevoegd 03/07/2012


Het werkingsprincipe van een inverter-stroombron voor een lasboog, de voor- en nadelen ervan, circuits en ontwerpen. Efficiëntie van de werking van invertervoedingen in termen van energiebesparing. Elementbasis gelijkrichters met inverter.

cursuswerk, toegevoegd op 28-11-2014


De volgorde van het verzamelen van een inverterende versterker die bevat functiegenerator en een amplitude-frequentiekarakteristiekmeter. Oscillogram van ingangs- en uitgangssignalen met een frequentie van 1 kHz. Uitgangsspanningsmeetcircuit en zijn afwijkingen.

laboratoriumwerk, toegevoegd 07/11/2015


Analyse elektrisch circuit: aanduiding van knooppunten, stromingen. Bepaling van ingangs- en uitgangssignalen, overdrachtskarakteristieken van een netwerk met vier terminals. Blokschema van het besturingssysteem. Systeemreacties op impact van één stap onder nulomstandigheden.

Het principe van het realiseren van secundaire macht door het gebruik van extra apparaten, die energie leveren aan circuits, wordt al geruime tijd in de meeste elektrische apparaten gebruikt. Deze apparaten zijn voedingen. Ze dienen om spanning om te zetten vereiste niveau. PSU's kunnen ingebouwd zijn of afzonderlijke elementen. Er zijn twee principes voor het omzetten van elektriciteit. De eerste is gebaseerd op het gebruik van analoge transformatoren en de tweede is gebaseerd op het gebruik van schakelende voedingen. Het verschil tussen deze principes is behoorlijk groot, maar helaas begrijpt niet iedereen het. In dit artikel gaan we uitzoeken hoe een schakelende voeding werkt en hoe deze zoveel verschilt van een analoge voeding. Laten we beginnen. Laten we gaan!

Transformatorvoedingen waren de eersten die verschenen. Hun werkingsprincipe is dat ze de spanningsstructuur veranderen met behulp van een vermogenstransformator, die is aangesloten op een 220 V-netwerk. Daar wordt de amplitude van de sinusoïdale harmonische verminderd, die verder naar het gelijkrichterapparaat wordt gestuurd. Vervolgens wordt de spanning afgevlakt door een parallel aangesloten condensator, die wordt geselecteerd op basis van het toegestane vermogen. De spanningsregeling aan de uitgangsklemmen wordt verzekerd door de positie van de trimweerstanden te veranderen.

Laten we nu verder gaan met pulsvoedingen. Ze verschenen iets later, maar werden dankzij een aantal onmiddellijk aanzienlijk populair positieve eigenschappen, namelijk:

• Beschikbaarheid van verpakkingen;
• Betrouwbaarheid;
• Mogelijkheid om het werkbereik voor uitgangsspanningen uit te breiden.

Allemaal apparaten waarin het principe is verwerkt schakelende voeding, verschillen praktisch niet van elkaar.

De elementen van een pulsvoeding zijn:

• Lineaire voeding;
• Stand-by-voeding;
• Generator (ZPI, besturing);
• Sleuteltransistor;
• Optokoppelaar;
• Controlecircuits.

Gebruik de ChipHunt-website om een ​​voeding met een specifieke set parameters te selecteren.

Laten we eindelijk eens kijken hoe een schakelende voeding werkt. Het maakt gebruik van de principes van interactie tussen de elementen van het invertercircuit en dankzij dit wordt een gestabiliseerde spanning bereikt.

Eerst ontvangt de gelijkrichter een normale spanning van 220 V, waarna de amplitude wordt afgevlakt met behulp van capacitieve filtercondensatoren. Hierna worden de passerende sinusoïden gelijkgericht door de uitgangsdiodebrug. Vervolgens worden de sinusoïden omgezet in hoogfrequente pulsen. De conversie kan worden uitgevoerd met galvanische scheiding van het voedingsnetwerk van de uitgangscircuits, of zonder een dergelijke isolatie.

Als de voeding galvanisch gescheiden is, worden de hoogfrequente signalen naar een transformator gestuurd, die voor galvanische isolatie zorgt. Om het rendement van de transformator te vergroten, wordt de frequentie verhoogd.

De werking van een pulsvoeding is gebaseerd op de interactie van drie ketens:

• PWM-controller (regelt de conversie van pulsbreedtemodulatie);
• Een cascade van stroomschakelaars (bestaat uit transistors die worden ingeschakeld volgens een van drie schema's: brug, halve brug, met middelpunt);
• Pulstransformator (heeft primaire en secundaire wikkelingen, die rond de magnetische kern zijn gemonteerd).

Als de voeding zonder ontkoppeling is, wordt de hoogfrequente scheidingstransformator niet gebruikt en wordt het signaal rechtstreeks naar het laagdoorlaatfilter gevoerd.

Vergelijken impuls blokken voeding met analoog, je ziet de voor de hand liggende voordelen van de eerste. UPS'en wegen minder, terwijl hun efficiëntie aanzienlijk hoger is. Ze hebben meer breed bereik voedingsspanningen en ingebouwde beveiliging. De kosten van dergelijke voedingen zijn meestal lager.

Nadelen zijn onder meer de aanwezigheid van hoogfrequente interferentie en vermogensbeperkingen (zowel bij hoge als lage belastingen).

U kunt de UPS controleren met behulp van gewone lamp gloeiend Houd er rekening mee dat u de lamp niet in de opening van de externe transistor moet aansluiten, omdat de primaire wikkeling niet is ontworpen om er doorheen te gaan DC Daarom mag het onder geen enkele omstandigheid worden doorgelaten.

Als de lamp brandt, werkt de voeding normaal, maar als deze niet brandt, werkt de voeding niet. Een korte knippering geeft aan dat de UPS onmiddellijk na het opstarten is vergrendeld. Een zeer heldere gloed duidt op een gebrek aan stabilisatie van de uitgangsspanning.

Nu weet u waarop het werkingsprincipe van schakelende en conventionele analoge voedingen is gebaseerd. Elk van hen heeft zijn eigen structurele en operationele kenmerken die moeten worden begrepen. U kunt de prestaties van de UPS ook controleren met een gewone gloeilamp. Schrijf in de reacties of dit artikel nuttig voor u was en stel eventuele vragen over het besproken onderwerp.