Mnohé elektrické zariadenia už dlho využívajú princíp realizácie sekundárneho napájania pomocou prídavných zariadení, ktorým sú zverené funkcie dodávania elektriny do obvodov, ktoré vyžadujú napájanie z určitých typov napätia, frekvencie, prúdu...

Na tento účel sú vytvorené ďalšie prvky: konvertovanie napätia jedného typu na druhý. Môžu byť:

zabudované vo vnútri spotrebiteľského puzdra, ako na mnohých mikroprocesorových zariadeniach;

alebo vyrobené v samostatných moduloch so spojovacími vodičmi podobnými bežnej nabíjačke mobilných telefónov.

V modernej elektrotechnike existujú dva princípy premeny energie pre elektrických spotrebiteľov, založené na:

1. používanie analógových transformátorových zariadení na prenos energie do sekundárneho okruhu;

2. spínané zdroje.

Majú zásadné rozdiely vo svojom dizajne a fungujú pomocou rôznych technológií.

Transformátorové napájacie zdroje

Spočiatku vznikali len takéto návrhy. Menia štruktúru napätia v dôsledku činnosti výkonového transformátora, napájaného z 220-voltovej domácej siete, v ktorej klesá amplitúda sínusovej harmonickej, ktorá sa potom posiela do usmerňovacieho zariadenia pozostávajúceho z výkonových diód, zvyčajne zapojených do mostíkový okruh.

Potom sa pulzujúce napätie vyhladí paralelne zapojenou kapacitou zvolenou podľa prípustného výkonu a stabilizuje polovodičovým obvodom s výkonovými tranzistormi.

Zmenou polohy trimovacích odporov v stabilizačnom obvode je možné regulovať napätie na výstupných svorkách.

Spínané zdroje napájania (UPS)

Podobný vývoj dizajnu sa objavil masovo pred niekoľkými desaťročiami a stal sa čoraz populárnejším v elektrických zariadeniach kvôli:

dostupnosť spoločných komponentov;

spoľahlivosť pri vykonávaní;

možnosti rozšírenia pracovného rozsahu výstupných napätí.

Takmer všetky spínané zdroje sa mierne líšia v dizajne a fungujú podľa rovnakej schémy, typickej pre iné zariadenia.

Medzi hlavné časti napájacích zdrojov patria:

sieťový usmerňovač zostavený z: vstupných tlmiviek, elektromechanického filtra, ktorý zabezpečuje potlačenie šumu a statickej izolácie od kondenzátorov, sieťovej poistky a diódového mostíka;

akumulačná filtračná nádrž;

kľúčový výkonový tranzistor;

hlavný oscilátor;

spätnoväzbový obvod vyrobený pomocou tranzistorov;

optočlen;

spínaný napájací zdroj, z ktorého sekundárneho vinutia vychádza napätie na premenu na napájací obvod;

usmerňovacie diódy výstupného obvodu;

obvody riadenia výstupného napätia, napríklad 12 voltov s nastavením pomocou optočlena a tranzistorov;

filtračné kondenzátory;

výkonové tlmivky, ktoré vykonávajú úlohu korekcie napätia a diagnostiky v sieti;

výstupné konektory.

Príklad elektronickej dosky takéhoto spínaného zdroja so stručným označením základne prvku je na obrázku.

Ako funguje spínaný zdroj?

Spínaný zdroj vytvára stabilizované napájacie napätie využitím princípov interakcie medzi prvkami invertorového obvodu.

Sieťové napätie 220 V sa privádza cez pripojené vodiče do usmerňovača. Jeho amplitúda je vyhladená kapacitným filtrom pomocou kondenzátorov, ktoré vydržia špičky okolo 300 voltov, a je oddelená filtrom šumu.

12V spínané zdroje sa dnes čoraz častejšie používajú v každodennom živote. S ich pomocou sa nabíjajú rôzne typy batérií, realizujú sa niektoré druhy osvetlenia, dokonca aj neprerušiteľné napájanie počítačových a iných sietí. Samozrejme, najjednoduchší spôsob, ako získať potrebný spínaný zdroj, je kúpiť ho v obchode. Napríklad spínaný zdroj založený na tl494.

Máme však záujem o možnosť zostavenia tohto zariadenia vlastnými rukami. Takže spínaný zdroj - schéma, podrobnosti a odporúčania pre jeho montáž.

Ak vezmeme do úvahy blokovú schému, pozostáva zo štyroch prvkov:

• Sieťový usmerňovač.
• Usmerňovač napätia.
• Riadiaci systém.

Štruktúra napájacieho zdroja je znázornená na spodnom obrázku.

Aké funkcie teda plní každý z týchto prvkov? Sieťový usmerňovač premieňa striedavý prúd na jednosmerný prúd. To znamená, že zvlnenie napätia je vyhladené. Vysokofrekvenčný menič naopak premieňa jednosmerné napätie na striedavé napätie. V tomto prípade sa tvar impulzov stane po prvé pravouhlým a po druhé s požadovanou amplitúdou.

Usmerňovač napätia čiastočne vyhladzuje napätie. Mimochodom, v niektorých napájacích zdrojoch tento prvok chýba, elektrický prúd prúdi priamo do vyhladzovacieho filtra, ktorý je svojim výstupom pripojený k záťaži. Schéma ukazuje, že riadiaci systém je pripojený k vysokofrekvenčnému meniču aj k usmerňovaču napätia. Ide o to, že riadenie VChP nastáva v dôsledku spätnej väzby z usmerňovača.

Táto bloková schéma jednoduchého 12V spínaného zdroja má mimochodom veľké množstvo kritikov, ktorí tvrdia, že jeho účinnosť je dosť malá. V zásade je to tak, ale ak správne vyberiete všetky prvky, ak správne vykonáte výpočty, spínané zdroje tohto typu budú mať účinnosť najmenej 90%. A to už niečo znamená.

Schematické diagramy

Takže základom pre zostavenie spínaného zdroja nie je len schéma zapojenia, alebo skôr jeho rozumná voľba, ale aj výber jeho hlavných prvkov. V zásade je v tomto prípade potrebné presne vybrať dva prvky:

• Usmerňovač napätia.

Budeme o nich hovoriť.

V skutočnosti sa tento dlhý názov dá nahradiť krátkym - invertor. Môže byť jedno- alebo dvojtaktný, ktorý využíva pulzný transformátor. Tu je niekoľko schém tohto prvku:

Najjednoduchší obvod, v ktorom je inštalovaný iba transformátor, je jednokoncový (prvá poloha). Práve jednoduchosť prináša určité nevýhody:

• Je potrebné nainštalovať veľký transformátor, pretože toto zariadenie pracuje na súkromnej hysteréznej slučke.
• Aby bol výkon výstupného prúdu veľký, je potrebné zvýšiť jeho amplitúdu impulzu.

Preto sa tento obvod najčastejšie používa v napájacích zdrojoch pre zariadenia s nízkym výkonom, kde vplyv týchto nedostatkov neovplyvní činnosť samotného zariadenia.

Druhou pozíciou je push-pull okruh, ktorý sa nazýva push-pull. Nevýhody jednocyklu neexistujú, ale má aj svoje nevýhody: zvýšené požiadavky na maximálnu hodnotu napätia spínačov a zložitejšiu konštrukciu samotného transformátora.

Tretia pozícia je push-pull polovičný mostík. V skutočnosti ide o predchádzajúci model iba so zjednodušeným transformátorom. Práve toto kritérium sa stalo základom spínaných zdrojov energie, ktoré sa používajú pre elektrické spotrebiče s výkonom nie väčším ako 3 kW.

Štvrtá pozícia je mostový spínaný zdroj. Zdvojnásobuje počet vypínačov, čo umožňuje zvýšiť výkon. A to je výhodné z technického aj ekonomického hľadiska.

Výber transformátora

Spínaný zdroj, presnejšie jeho výkon, bude závisieť od zvoleného typu jadra transformátora. Pre napájacie zdroje do 1 kW je inštalovaný transformátor s feritovým jadrom.

Pozor! Treba mať na pamäti, že v transformátoroch s feritovým jadrom dochádza k veľkým stratám napätia, ak sa jeho frekvencia blíži k 100 Hz.

Usmerňovač napätia

Existujú tri hlavné schémy usmerňovania napätia s nominálnou hodnotou 220 voltov.

• Polvlna.
• Plná vlna.
• Nula alebo, podobne ako predchádzajúci, iba so stredom.

Prvý obvod je najjednoduchší, ktorý využíva minimálny počet polovodičových prvkov. Jeho jedinou nevýhodou je zvlnenie vysokého napätia na výstupe. Aj keď by bolo možné pridať malý rektifikačný koeficient (0,45), pomocou tohto obvodu budete musieť nainštalovať výkonný filter.

Nula má vysoký rektifikačný koeficient 0,9. Pravda, v tomto prípade je potrebné takmer zdvojnásobiť počet usmerňovacích diód. Nevýhodou je prítomnosť sieťového transformátora. To znamená, že jeho celkové rozmery nemajú veľa spoločného s konceptom malých zariadení, najmä pokiaľ ide o spínaný zdroj.

Tretia poloha je rovnaká ako druhá, iba bez transformátora. Nahrádza ho kapacitný filter, ktorý má svoju nevýhodu - vysoký výstupný prúdový impulz. Je pravda, že táto nevýhoda nie je kritická.

Záver k téme

Ako vidíte, schéma zapojenia spínaných zdrojov má niekoľko odrôd. Aby však každý z nich fungoval správne, je potrebné správne vybrať jeho komponenty. Samozrejme, to všetko nie je také jednoduché, ako by sa to mohlo zdať na prvý pohľad, ale ak vezmete do úvahy naše odporúčania, môžete nezávisle zostaviť malú pohonnú jednotku, napríklad na osvetlenie miestností LED lampami.

Spínaný zdroj 180W

Výkon zdroja je cca 180 W, výstupné napätie je 2x25 V pri zaťažovacom prúde 3,5 A. Rozsah zvlnenia pri zaťažovacom prúde 3,5 A nepresahuje 10 % pri konverznej frekvencii 100 Hz a 2 % pre frekvenciu 27 kHz. Výstupná impedancia nepresahuje 0,6 Ohm. Rozmery bloku - 170x80x35 mm; hmotnosť - 450 g.

Po usmernení diódovým mostíkom VD1 je sieťové napätie filtrované kondenzátormi C1-C4 (pozri schému). Rezistor R1 obmedzuje nabíjací prúd filtračných kondenzátorov pretekajúcich cez usmerňovacie diódy, keď je jednotka zapnutá. Filtrované napätie sa privádza do meniča napätia postaveného podľa polomostíkového invertorového obvodu s použitím tranzistorov VT1, VT2. Menič je zaťažený primárnym vinutím transformátora T1, ktorý premieňa napätie a galvanicky oddeľuje výstup jednotky od striedavej siete. Kondenzátory C3 a C4 zabraňujú vstupu RF rušenia z napájacieho zdroja do siete. Striedač s polovičným mostíkom premieňa jednosmerné napätie na obdĺžnikové striedavé napätie s frekvenciou 27 kHz. Transformátor T1 je navrhnutý tak, aby jeho magnetický obvod nebol nasýtený. Samooscilačný režim činnosti je zabezpečený spätnoväzbovým obvodom, ktorého napätie je odvádzané z vinutia III transformátora T1 a privádzané do vinutia I pomocného transformátora T2. Rezistor R4 obmedzuje napätie na vinutí I transformátora T2. Frekvencia prevodu závisí v určitých medziach od odporu tohto odporu (pozri poznámku na konci strany). Podrobne si môžete prečítať o prevádzke meničov s nesaturovateľným transformátorom v.

Na zabezpečenie spoľahlivého spustenia meniča a jeho stabilnej prevádzky je použitá spúšťacia jednotka, ktorou je relaxačný generátor na báze tranzistora VT3 pracujúceho v lavínovom režime. Po zapnutí napájania sa kondenzátor C5 začne nabíjať cez odpor R5 a keď napätie na ňom dosiahne 50...70 V, tranzistor VTZ sa otvorí ako lavína a kondenzátor sa vybije. Prúdový impulz otvorí tranzistor VT2 a spustí menič.

Tranzistory VT1 a VT2 sú inštalované na chladičoch s plochou 50 cm2. Diódy VD2-VD5 sú vybavené aj doskovými chladičmi. Diódy sú vložené medzi päť duralových platní s rozmermi 40 x 30 mm (tri stredné platne majú hrúbku 2 mm, dve vonkajšie 3 mm). Celé balenie je dotiahnuté dvomi skrutkami M3x30 prevlečenými cez otvory v doskách. Aby sa zabránilo uzavretiu dosiek skrutkami, umiestnia sa na ne kusy polyvinylchloridovej trubice.

Charakteristiky vinutia transformátorov sú zhrnuté v tabuľke.

Navíjací drôt - PEV-2. Vinutie I je umiestnené rovnomerne po celej dĺžke krúžku. Na uľahčenie spustenia meniča by malo byť vinutie III transformátora T1 umiestnené na mieste, ktoré nie je obsadené vinutím II (pozri obrázok). Izolácia medzi vinutiami v transformátoroch je vyrobená lakovanou textilnou páskou. Medzi vinutiami I a II transformátora T1 je trojvrstvová izolácia, medzi zvyšnými vinutiami transformátorov je jednovrstvová.
Kondenzátory C3, C4 v bloku - K73P-3; C1, C2 - K50-12; C5 - K73-11; S8,S9 - KM-5; C6, C7 -- K52-2. Tranzistory KT812A je možné nahradiť KT812B, KT809A, KT704A-KT704V, diódy KD213A za KD213B.

Správne zostavený napájací zdroj zvyčajne nevyžaduje úpravu, ale v niektorých prípadoch môže byť potrebné zvoliť tranzistor VT3. Ak chcete skontrolovať jeho funkčnosť, dočasne odpojte výstup emitora a pripojte ho k zápornej svorke sieťového usmerňovača. Na obrazovke osciloskopu je pozorované napätie na kondenzátore C5 - pílovitý signál s výkyvom 20...50 V a frekvenciou niekoľkých hertzov. Ak nie je žiadne rampové napätie, tranzistor sa musí vymeniť.

Použitím tohto zdroja nie je eliminovaná potreba blokovania výstupných výkonových obvodov zosilňovača veľkými kondenzátormi. Pripojenie takýchto kondenzátorov ďalej znižuje úroveň zvlnenia.

Literatúra

1. V. Cibulskij Ekonomické napájanie. Rozhlas, 1981, č. 10, s. 56.
2. Romash E. M. Zdroje sekundárneho napájania pre rádioelektronické zariadenia - M.: Radio and Communications, 1981.
3. Biryukov S. Napájanie digitálneho frekvenčného merača, - Rádio. 1981. č. 12, s. 54, 55.

D. BARABOŠKIN
Rádio, 6/85

POZNÁMKA

Pri zapnutí napájania zmerajte frekvenciu konverzie (na svorkách vinutia II) - môže byť výrazne nižšia ako 27 kHz (napríklad 9 - 12 kHz). A hoci zariadenie bude fungovať, výkonové tranzistory zlyhajú v dôsledku prehriatia. Nastavenie frekvencie sa vykonáva pomocou odporu R4. Okrem toho sa hodnotenie môže líšiť od hodnotenia uvedeného na diagrame o desiatky ohmov.
Správne nakonfigurovaný zdroj funguje skvele, pri zaťažení 50 - 70% zostávajú výkonové tranzistory studené.

Kvalita zvuku závisí takmer rovnako od parametrov napájacieho zdroja ako od samotného zosilňovača a pri jeho výrobe by ste nemali byť zanedbaní. Popisov výpočtových metód pre štandardné transformátory je viac než dosť. Preto uvádzame popis spínaného zdroja, ktorý je možné použiť nielen so zosilňovačmi na báze TDA7293 (TDA7294), ale aj s akýmkoľvek iným 3H koncovým zosilňovačom.

Základom tejto napájacej jednotky (PSU) je polomostový budič s vnútorným oscilátorom IR2153 (IR2155), určený na riadenie tranzistorov technológie MOSFET a IGBT v spínaných zdrojoch. Funkčná schéma mikroobvodov je znázornená na obrázku 1, závislosť výstupnej frekvencie od menovitých hodnôt reťaze pohonu RC na obrázku 2. Mikroobvod poskytuje pauzu medzi impulzmi „horného“ a „dolného“ spínača pre 10% trvania impulzu, čo vám umožňuje nestarať sa o „cez“ prúdy vo výkonovej časti meniča.

Ryža. 1

Ryža. 2

Praktická realizácia napájacieho zdroja je znázornená na obrázku 3. Pomocou tohto zapojenia vyrobíte zdroj s výkonom od 100 do 500 W, stačí úmerne zvýšiť kapacitu primárneho výkonového filtračného kondenzátora C2 a použiť tzv. zodpovedajúci výkonový transformátor TV2.

Ryža. 1

Kapacita kondenzátora C2 sa volí s rýchlosťou 1...1,5 µF na 1 W výstupného výkonu, napríklad pri výrobe 150 W napájacieho zdroja by sa mal použiť kondenzátor 150...220 µF. Diódový mostík primárneho napájania VD je možné použiť v súlade s inštalovaným filtračným kondenzátorom primárneho napájania, s kapacitami do 330 µF možno použiť diódové mostíky 4...6 A, napríklad RS407 alebo RS607. Pri kapacite kondenzátora 470... 680 μF sú potrebné výkonnejšie diódové mostíky, napríklad RS807, RS1007.
O výrobe transformátora sa môžeme baviť dlho, no nie každý sa musí príliš dlho ponoriť do hlbokej teórie výpočtov. Preto výpočty podľa Eranosyanovej knihy pre najobľúbenejšie štandardné veľkosti feritových krúžkov M2000NM1 sú jednoducho zhrnuté v tabuľke 1.
Ako je zrejmé z tabuľky, celkový výkon transformátora závisí nielen od rozmerov jadra, ale aj od konverznej frekvencie. Nie je veľmi logické vyrábať transformátor pre frekvencie pod 40 kHz - harmonické môžu vytvárať neprekonateľné rušenie v audio rozsahu. Výroba transformátorov pre frekvencie nad 100 kHz už nie je prípustná kvôli samovoľnému zahrievaniu feritu M2000NM1 vírivými prúdmi. V tabuľke sú uvedené údaje o primárnych vinutiach, z ktorých sa dajú ľahko vypočítať pomery závitov / voltov a potom nebude ťažké vypočítať, koľko závitov je potrebných pre konkrétne výstupné napätie. Treba si uvedomiť, že napätie privádzané do primárneho vinutia je 155 V - sieťové napätie 220 V po usmerňovači a vyhladzovacom filtri bude 310 V DC, obvod je polopremostený, preto polovica tejto hodnoty bude aplikovaná na primárne vinutie. Malo by sa tiež pamätať na to, že tvar výstupného napätia bude pravouhlý, takže po usmerňovači a vyhladzovacom filtri sa hodnota napätia nebude výrazne líšiť od vypočítanej hodnoty.
Priemery požadovaných drôtov sa vypočítajú z pomeru 5 A na 1 mm2 prierezu drôtu. Okrem toho je lepšie použiť niekoľko drôtov menšieho priemeru ako jeden hrubší drôt. Táto požiadavka platí pre všetky meniče napätia s konverznou frekvenciou nad 10 kHz, keďže sa už začína prejavovať skinefekt - straty vo vnútri vodiča, keďže pri vysokých frekvenciách už prúd netečie cez celý prierez, ale po povrchu vodiča a čím vyššia je frekvencia, tým silnejšie sú efektové straty v hrubých vodičoch. Preto sa neodporúča používať vodiče hrubšie ako 1 mm v meničoch s prevodnými frekvenciami nad 30 kHz. Pozor si treba dať aj na fázovanie vinutí – nesprávne nafázované vinutia môžu buď poškodiť výkonové spínače, alebo znížiť účinnosť meniča. Vráťme sa však k zdroju znázornenému na obrázku 3. Minimálny výkon tohto zdroja je prakticky neobmedzený, takže si môžete vyrobiť zdroj s výkonom 50 W alebo menej. Horná hranica výkonu je obmedzená určitými vlastnosťami základne prvkov.
Na získanie vyšších výkonov sú potrebné výkonnejšie tranzistory MOSFET a čím výkonnejší je tranzistor, tým väčšia je kapacita jeho brány. Ak je kapacita hradla výkonového tranzistora dosť vysoká, potom je na jeho nabíjanie a vybíjanie potrebný značný prúd. Prúd riadiacich tranzistorov IR2153 je pomerne malý (200 mA), preto tento mikroobvod nemôže ovládať príliš výkonné výkonové tranzistory pri vysokých konverzných frekvenciách.
Na základe vyššie uvedeného je zrejmé, že maximálny výstupný výkon meniča na báze IR2153 nemôže byť väčší ako 500...600 W pri konverznej frekvencii 50...70 kHz, keďže použitie výkonnejších výkonových tranzistorov pri tieto frekvencie celkom vážne znižujú spoľahlivosť zariadenia. Zoznam odporúčaných tranzistorov pre výkonové spínače VT1, VT2 so stručnými charakteristikami je zhrnutý v tabuľke 2.
Usmerňovacie diódy sekundárnych napájacích obvodov musia mať najkratší čas zotavenia a aspoň dvojnásobnú rezervu napätia a trojnásobok prúdu. Najnovšie požiadavky sú odôvodnené skutočnosťou, že samoindukčné napäťové rázy výkonového transformátora dosahujú 20...50% amplitúdy výstupného napätia. Napríklad pri sekundárnom napájaní 100 V môže byť amplitúda samoindukčných impulzov 120... 150 V a napriek tomu, že trvanie impulzov je extrémne krátke, stačí spôsobiť poruchu diódy, pri použití diód so spätným napätím 150 V. Je potrebný trojnásobok rezervného prúdu, aby diódy nezlyhali v momente zopnutia, keďže kapacita sekundárnych výkonových filtračných kondenzátorov je pomerne vysoká a pomerne malý prúd bude potrebné ich účtovať. Najvhodnejšie diódy VD4-VD11 sú zhrnuté v tabuľke 3.

Kapacita sekundárnych výkonových filtrov (C11, C12) by sa nemala príliš zvyšovať, pretože konverzia sa vykonáva pri pomerne vysokých frekvenciách. Na zníženie zvlnenia je oveľa dôležitejšie použiť veľkú kapacitu v primárnych silových obvodoch a správne vypočítať výkon výkonového transformátora. V sekundárnych obvodoch sú kondenzátory 1000 μF na rameno úplne postačujúce pre zosilňovače do 100 W (napájacie kondenzátory inštalované na samotných doskách UMZCH musia byť najmenej 470 μF) a 4700 μF pre zosilňovač 500 W. Schéma zapojenia zobrazuje verziu sekundárnych napájacích usmerňovačov vyrobených na Schottkyho diódach a pod nimi je nainštalovaná doska plošných spojov (obrázok 4). Diódy VD12, VD13 sa používajú ako usmerňovač pre ventilátor núteného chladenia chladičov, diódy VD14-VD17 sa používajú ako usmerňovač pre nízkonapäťové napájanie (predzosilňovače, ovládače aktívneho tónu atď.). Rovnaký obrázok ukazuje nákres umiestnenia dielov a schému zapojenia. Menič má ochranu proti preťaženiu vyrobenú na prúdovom transformátore TV1, ktorý pozostáva z krúžku K20x12x6 z feritu M2000 a obsahuje 3 závity primárneho vinutia (prierez je rovnaký ako primárne vinutie výkonového transformátora a 3 závity sekundárneho vinutia vinutie, navinuté dvojitým drôtom s priemerom 0,2... 0,3 mm.Ak dôjde k preťaženiu, napätie na sekundárnom vinutí transformátora TV1 postačí na otvorenie tyristora VS1 a ten sa otvorí, čím sa zatvorí napájanie na mikroobvod IR2153, čím sa zastaví jeho činnosť.Práh ochrany sa nastavuje odporom R8.Nastavovanie sa vykonáva bez záťaže, počnúc maximálnou citlivosťou a dosiahnutím stabilného rozbehu meniča.Princíp nastavenia je založený na skutočnosti, že v momente štartu meniča je zaťažený na maximum, keďže je potrebné dobiť kapacitu sekundárnych výkonových filtrov a zaťaženie výkonovej časti meniča je maximálne.

O zvyšných detailoch: kondenzátor C5 - filmový kondenzátor 0,33... 1 µF 400V; kondenzátory C9, C10 - filmové kondenzátory 0,47...2,2 µF najmenej 250V; indukčnosti L1...L3 sú vyrobené na feritových krúžkoch K20x12x6 M2000 a sú navinuté drôtom 0,8...1,0 mm, až kým nie sú zaplnené v jednej vrstve; C14, C15 - film 0,33...2,2 µF pre napätie najmenej 100 V s výstupným napätím do 80 V; kondenzátory C1, C4, C6, C8 môžu byť keramické, typ K10-73 alebo K10-17; C7 môže byť aj keramický, ale lepší je film, napríklad K73-17.

Princíp realizácie sekundárneho napájania pomocou prídavných zariadení, ktoré dodávajú energiu obvodom, sa používa už pomerne dlho vo väčšine elektrických spotrebičov. Tieto zariadenia sú napájacie zdroje. Slúžia na premenu napätia na požadovanú úroveň. PSU môžu byť buď vstavané alebo samostatné prvky. Existujú dva princípy premeny elektriny. Prvý je založený na použití analógových transformátorov a druhý je založený na použití spínaných zdrojov napájania. Rozdiel medzi týmito princípmi je dosť veľký, ale, žiaľ, nie každý mu rozumie. V tomto článku zistíme, ako funguje spínaný zdroj a ako sa líši od analógového. Začnime. Choď!

Ako prvé sa objavili transformátorové napájacie zdroje. Princíp ich činnosti spočíva v tom, že menia štruktúru napätia pomocou výkonového transformátora, ktorý je zapojený do siete 220 V. Tam sa znižuje amplitúda sínusovej harmonickej, ktorá sa posiela ďalej do usmerňovacieho zariadenia. Potom je napätie vyhladené paralelne zapojeným kondenzátorom, ktorý sa volí podľa prípustného výkonu. Regulácia napätia na výstupných svorkách je zabezpečená zmenou polohy trimovacích odporov.

Teraz prejdime k pulzným zdrojom napájania. Objavili sa o niečo neskôr, ale okamžite si získali značnú popularitu vďaka niekoľkým pozitívnym vlastnostiam, a to:

• Dostupnosť balenia;
• Spoľahlivosť;
• Možnosť rozšírenia pracovného rozsahu pre výstupné napätia.

Všetky zariadenia, ktoré obsahujú princíp pulzného napájania, sa od seba prakticky nelíšia.

Prvky impulzného napájacieho zdroja sú:

• Lineárne napájanie;
• Pohotovostný napájací zdroj;
• Generátor (ZPI, ovládanie);
• Kľúčový tranzistor;
• Optočlen;
• Riadiace obvody.

Na výber napájacieho zdroja so špecifickou sadou parametrov použite webovú stránku ChipHunt.

Poďme konečne prísť na to, ako funguje spínaný zdroj. Využíva princípy interakcie medzi prvkami invertorového obvodu a práve vďaka tomu sa dosahuje stabilizované napätie.

Po prvé, usmerňovač dostane normálne napätie 220 V, potom sa amplitúda vyhladí pomocou kapacitných filtračných kondenzátorov. Potom sú prechádzajúce sínusoidy usmernené výstupným diódovým mostíkom. Potom sa sínusoidy premenia na vysokofrekvenčné impulzy. Konverziu je možné vykonať buď s galvanickým oddelením napájacej siete od výstupných obvodov, alebo bez takéhoto oddelenia.

Ak je napájací zdroj galvanicky oddelený, potom sa vysokofrekvenčné signály posielajú do transformátora, ktorý vykonáva galvanické oddelenie. Na zvýšenie účinnosti transformátora sa frekvencia zvyšuje.

Prevádzka impulzného napájacieho zdroja je založená na interakcii troch reťazcov:

• regulátor PWM (riadi konverziu modulácie šírky impulzov);
• Kaskáda výkonových spínačov (pozostáva z tranzistorov, ktoré sa zapínajú podľa jedného z troch obvodov: mostík, polovičný mostík, so stredným bodom);
• Pulzný transformátor (má primárne a sekundárne vinutie, ktoré sú namontované okolo magnetického jadra).

Ak je napájanie bez oddelenia, potom sa nepoužíva vysokofrekvenčný izolačný transformátor a signál sa privádza priamo do dolnopriepustného filtra.

Pri porovnaní spínaných zdrojov s analógovými môžete vidieť zrejmé výhody prvého. UPS majú menšiu hmotnosť, pričom ich účinnosť je výrazne vyššia. Majú širší rozsah napájacieho napätia a zabudovanú ochranu. Náklady na takéto napájacie zdroje sú zvyčajne nižšie.

Medzi nevýhody patrí prítomnosť vysokofrekvenčného rušenia a obmedzenie výkonu (pri vysokom aj nízkom zaťažení).

UPS môžete skontrolovať pomocou bežnej žiarovky. Upozorňujeme, že lampu by ste nemali pripájať do medzery vzdialeného tranzistora, pretože primárne vinutie nie je navrhnuté tak, aby prechádzalo jednosmerným prúdom, takže za žiadnych okolností by nemalo byť dovolené prejsť.

Ak sa kontrolka rozsvieti, napájací zdroj funguje normálne, ale ak sa nerozsvieti, napájací zdroj nefunguje. Krátke bliknutie signalizuje, že UPS je zablokovaný ihneď po spustení. Veľmi jasná žiara naznačuje nedostatočnú stabilizáciu výstupného napätia.

Teraz budete vedieť, na čom je založený princíp fungovania spínania a konvenčných analógových napájacích zdrojov. Každý z nich má svoje vlastné štrukturálne a prevádzkové vlastnosti, ktoré treba pochopiť. Výkon UPS môžete skontrolovať aj pomocou bežnej žiarovky. Do komentárov napíšte, či bol tento článok pre vás užitočný a opýtajte sa na akékoľvek otázky týkajúce sa diskutovanej témy.

Rozsah použitia spínaných zdrojov v každodennom živote sa neustále rozširuje. Takéto zdroje sa používajú na napájanie všetkých moderných domácich a počítačových zariadení, na realizáciu neprerušiteľných zdrojov energie, nabíjačiek batérií na rôzne účely, na realizáciu nízkonapäťových osvetľovacích systémov a pre iné potreby.

V niektorých prípadoch nie je nákup hotového napájacieho zdroja z ekonomického alebo technického hľadiska veľmi prijateľný a montáž spínacieho zdroja vlastnými rukami je najlepším východiskom z tejto situácie. Túto možnosť zjednodušuje aj široká dostupnosť moderných komponentov za nízke ceny.

Najpopulárnejšie v každodennom živote sú spínané zdroje napájané štandardnou AC sieťou a výkonným nízkonapäťovým výstupom. Bloková schéma takéhoto zdroja je znázornená na obrázku.

Usmerňovač siete CB premieňa striedavé napätie napájacej siete na jednosmerné napätie a vyhladzuje zvlnenie usmerneného napätia na výstupe. Vysokofrekvenčný menič VChP premieňa usmernené napätie na striedavé alebo unipolárne napätie, ktoré má formu pravouhlých impulzov požadovanej amplitúdy.

Následne je toto napätie buď priamo alebo po usmernení (VN) privedené do vyhladzovacieho filtra, na výstup ktorého je pripojená záťaž. VChP je riadený riadiacim systémom, ktorý prijíma spätnoväzbový signál z usmerňovača záťaže.

Tejto konštrukcii zariadenia možno vytknúť prítomnosť niekoľkých konverzných stupňov, čo znižuje účinnosť zdroja. Pri správnom výbere polovodičových prvkov a vysokokvalitnom výpočte a výrobe jednotiek vinutia je však úroveň strát výkonu v obvode nízka, čo umožňuje získať skutočné hodnoty účinnosti nad 90%.

Schematické schémy spínaných zdrojov

Riešenia pre konštrukčné bloky zahŕňajú nielen zdôvodnenie výberu možností implementácie obvodu, ale aj praktické odporúčania pre výber základných prvkov.

Na opravu jednofázového sieťového napätia použite jednu z troch klasických schém znázornených na obrázku:

• polovičná vlna;
• nula (plná vlna so stredom);
• polvlnový most.

Každý z nich má výhody a nevýhody, ktoré určujú rozsah použitia.

Polvlnový okruh Vyznačuje sa jednoduchosťou implementácie a minimálnym počtom polovodičových komponentov. Hlavnými nevýhodami takéhoto usmerňovača je značné zvlnenie výstupného napätia (v usmernenom je len jedna polvlna sieťového napätia) a nízky koeficient usmernenia.

Rektifikačný faktor Kv určený pomerom priemerného napätia na výstupe usmerňovača Udk efektívna hodnota fázového sieťového napätia Uph.

Pre polvlnový obvod Kv=0,45.

Na vyhladenie zvlnenia na výstupe takéhoto usmerňovača sú potrebné výkonné filtre.

Nulový alebo celovlnný obvod so stredným bodom, vyžaduje síce dvojnásobný počet usmerňovacích diód, avšak táto nevýhoda je do značnej miery kompenzovaná nižšou úrovňou zvlnenia usmerneného napätia a zvýšením koeficientu usmerňovania na 0,9.

Hlavnou nevýhodou takejto schémy na použitie v domácich podmienkach je potreba usporiadať stredný bod sieťového napätia, čo znamená prítomnosť sieťového transformátora. Jeho rozmery a hmotnosť sa ukázali ako nezlučiteľné s myšlienkou malého domáceho pulzného zdroja.

Celovlnný mostíkový obvod rektifikácia má rovnaké ukazovatele z hľadiska úrovne zvlnenia a koeficientu usmernenia ako nulový okruh, ale nevyžaduje pripojenie k sieti. To tiež kompenzuje hlavnú nevýhodu - zdvojnásobený počet usmerňovacích diód, a to z hľadiska účinnosti aj nákladov.

Na vyhladenie usmerneného zvlnenia napätia je najlepším riešením použiť kapacitný filter. Jeho použitie umožňuje zvýšiť hodnotu usmerneného napätia na hodnotu amplitúdy siete (pri Uph = 220V Ufm = 314V). Nevýhody takéhoto filtra sa považujú za veľké hodnoty impulzných prúdov prvkov usmerňovača, ale táto nevýhoda nie je kritická.

Výber usmerňovacích diód sa uskutočňuje podľa priemerného priepustného prúdu Ia a maximálneho spätného napätia U BM.

Ak vezmeme hodnotu koeficientu zvlnenia výstupného napätia Kp = 10%, dostaneme priemernú hodnotu usmerneného napätia Ud = 300V. Berúc do úvahy výkon záťaže a účinnosť RF prevodníka (pre výpočet sa berie 80%, ale v praxi to bude vyššie, to umožní určitú rezervu).

Ia je priemerný prúd usmerňovacej diódy, Рн je výkon záťaže, η je účinnosť HF meniča.

Maximálne spätné napätie usmerňovacieho prvku nepresahuje hodnotu amplitúdy sieťového napätia (314V), čo umožňuje použitie súčiastok s hodnotou U BM =400V s výraznou rezervou. Môžete použiť ako diskrétne diódy, tak aj hotové usmerňovacie mostíky od rôznych výrobcov.

Aby sa zabezpečilo dané (10%) zvlnenie na výstupe usmerňovača, kapacita filtračných kondenzátorov sa odoberá rýchlosťou 1 μF na 1 W výstupného výkonu. Používajú sa elektrolytické kondenzátory s maximálnym napätím minimálne 350V. Kapacity filtrov pre rôzne výkony sú uvedené v tabuľke.

Vysokofrekvenčný menič: jeho funkcie a obvody

Vysokofrekvenčný menič je jednocyklový alebo push-pull spínací menič (invertor) s impulzným transformátorom. Varianty obvodov RF prevodníka sú znázornené na obrázku.

Okruh s jedným koncom. Napriek minimálnemu počtu výkonových prvkov a jednoduchosti implementácie má niekoľko nevýhod.

1. Transformátor v obvode pracuje v súkromnej hysteréznej slučke, čo si vyžaduje zvýšenie jeho veľkosti a celkového výkonu;
2. Na zabezpečenie výstupného výkonu je potrebné získať významnú amplitúdu impulzného prúdu pretekajúceho polovodičovým spínačom.

Obvod našiel svoje najväčšie uplatnenie v zariadeniach s nízkym výkonom, kde vplyv týchto nevýhod nie je taký výrazný.

Ak chcete sami vymeniť alebo nainštalovať nový merací prístroj, nie sú potrebné žiadne špeciálne zručnosti. Správny výber zabezpečí správne meranie odberu prúdu a zvýši bezpečnosť vašej domácej elektrickej siete.

V moderných podmienkach poskytovania osvetlenia v interiéri aj exteriéri sa čoraz viac využívajú pohybové senzory. To nielen pridáva pohodlie a komfort do našich domovov, ale umožňuje nám aj výrazne ušetriť. Dozviete sa praktické tipy na výber miesta inštalácie a schémy zapojenia.

Push-pull obvod so stredným bodom transformátora (push-pull). Svoje druhé meno dostala podľa anglickej verzie (push-pull) popisu práce. Obvod je zbavený nevýhod jednocyklovej verzie, má však svoje vlastné - komplikovanú konštrukciu transformátora (vyžaduje sa výroba identických sekcií primárneho vinutia) a zvýšené požiadavky na maximálne napätie spínačov. V opačnom prípade si toto riešenie zaslúži pozornosť a je široko používané v spínaných zdrojoch, vyrobených ručne a nielen.

Push-pull polomostíkový okruh. Parametre obvodu sú podobné obvodu so stredným bodom, ale nevyžaduje zložitú konfiguráciu vinutia transformátora. Inherentnou nevýhodou obvodu je potreba usporiadať stredný bod usmerňovacieho filtra, čo znamená štvornásobné zvýšenie počtu kondenzátorov.

Pre jednoduchosť implementácie je obvod najpoužívanejší v spínaných zdrojoch s výkonom do 3 kW. Pri vysokých výkonoch sú náklady na filtračné kondenzátory neprijateľne vysoké v porovnaní s polovodičovými invertorovými spínačmi a mostíkový obvod sa ukazuje ako najziskovejší.

Push-pull mostový obvod. Parametre sú podobné ako pri iných push-pull okruhoch, ale nie je potrebné vytvárať umelé „stredy“. Cena za to je dvojnásobný počet výkonových spínačov, čo je výhodné z ekonomického a technického hľadiska pri budovaní výkonných impulzných zdrojov.

Výber invertorových spínačov sa vykonáva podľa amplitúdy kolektorového (odtokového) prúdu I KMAX a maximálneho napätia kolektor-emitor U KEMAKH. Na výpočet sa používa výkon záťaže a transformačný pomer impulzného transformátora.

Najprv je však potrebné vypočítať samotný transformátor. Impulzný transformátor je vyrobený na jadre z feritu, permalloy alebo transformátorového železa stočeného do krúžku. Pre výkony do niekoľkých kW sú celkom vhodné feritové jadrá prstencového alebo W-tvaru. Transformátor sa vypočíta na základe požadovaného výkonu a konverznej frekvencie. Aby ste eliminovali výskyt akustického šumu, je vhodné posunúť konverznú frekvenciu mimo audio rozsah (urobiť ju nad 20 kHz).

Treba mať na pamäti, že pri frekvenciách blízkych 100 kHz sa straty vo feritových magnetických jadrách výrazne zvyšujú. Výpočet samotného transformátora nie je náročný a dá sa ľahko nájsť v literatúre. Niektoré výsledky pre rôzne výkony zdrojov a magnetické obvody sú uvedené v tabuľke nižšie.

Výpočet bol vykonaný pre konverznú frekvenciu 50 kHz. Stojí za zmienku, že pri prevádzke pri vysokých frekvenciách dochádza k účinku prúdového posunu na povrch vodiča, čo vedie k zníženiu efektívnej plochy vinutia. Aby sa predišlo takýmto problémom a znížili sa straty vo vodičoch, je potrebné zhotoviť vinutie viacerých vodičov menšieho prierezu. Pri frekvencii 50 kHz prípustný priemer drôtu vinutia nepresahuje 0,85 mm.

Keď poznáte pomer zaťaženia a transformácie, môžete vypočítať prúd v primárnom vinutí transformátora a maximálny kolektorový prúd vypínača. Napätie na tranzistore v zatvorenom stave je zvolené vyššie ako usmernené napätie privádzané na vstup VF meniča s určitou rezervou (U KEMAKH >=400V). Na základe týchto údajov sa vyberú kľúče. V súčasnosti je najlepšou možnosťou použitie výkonových tranzistorov IGBT alebo MOSFET.

Pre usmerňovacie diódy na sekundárnej strane treba dodržať jedno pravidlo - ich maximálna pracovná frekvencia musí presiahnuť konverznú frekvenciu. V opačnom prípade sa výrazne zníži účinnosť výstupného usmerňovača a meniča ako celku.

Video o vytvorení jednoduchého impulzného napájacieho zariadenia