Tipi di alimentatori switching. Laboratorio di Irbis - Con un passo morbido verso le vette della conoscenza e dell'abilità - Scuola

Nella maggior parte dei moderni dispositivi elettronici, gli alimentatori analogici (trasformatori) non vengono praticamente utilizzati; sono stati sostituiti da convertitori di tensione a impulsi. Per capire perché ciò sia accaduto, è necessario considerare le caratteristiche del design, nonché i punti di forza e di debolezza di questi dispositivi. Parleremo anche dello scopo dei componenti principali delle sorgenti pulsate, daremo un semplice esempio di implementazione che può essere assemblato a mano.

Caratteristiche costruttive e principio di funzionamento

Tra i vari modi per convertire la tensione in componenti elettronici di potenza, si possono distinguere due dei più utilizzati:

1. Analogico, il cui elemento principale è un trasformatore riduttore, oltre alla funzione principale, fornisce anche l'isolamento galvanico.
2. principio dell'impulso.

Diamo un'occhiata alla differenza tra queste due opzioni.

PSU basato su trasformatore di potenza

Considera uno schema a blocchi semplificato di questo dispositivo. Come si può vedere dalla figura, all'ingresso è installato un trasformatore riduttore, con il suo aiuto viene convertita l'ampiezza della tensione di alimentazione, ad esempio da 220 V otteniamo 15 V. Il blocco successivo è un raddrizzatore, il suo il compito è convertire la corrente sinusoidale in una pulsata (l'armonica è mostrata sopra l'immagine simbolica). A tale scopo vengono utilizzati elementi semiconduttori raddrizzatori (diodi) collegati in un circuito a ponte. Il loro principio di funzionamento può essere trovato sul nostro sito web.

Il blocco successivo svolge due funzioni: attenua la tensione (a tale scopo viene utilizzato un condensatore della capacità appropriata) e la stabilizza. Quest'ultimo è necessario affinché la tensione non "cada" all'aumentare del carico.

Lo schema a blocchi fornito è notevolmente semplificato, di norma questo tipo di sorgente ha un filtro di ingresso e circuiti di protezione, ma ciò non è essenziale per spiegare il funzionamento del dispositivo.

Tutti gli svantaggi dell'opzione di cui sopra sono direttamente o indirettamente correlati all'elemento strutturale principale: il trasformatore. Innanzitutto, il suo peso e le sue dimensioni limitano la miniaturizzazione. Per non essere infondato, riportiamo ad esempio un trasformatore riduttore da 220/12 V con una potenza nominale di 250 W. Il peso di tale unità è di circa 4 chilogrammi, le dimensioni sono 125x124x89 mm. Puoi immaginare quanto peserebbe un caricabatterie per laptop basato su di esso.

In secondo luogo, il prezzo di tali dispositivi a volte supera di molte volte il costo totale di altri componenti.

Dispositivi a impulsi

Come si può vedere dallo schema a blocchi mostrato in Figura 3, il principio di funzionamento di questi dispositivi differisce significativamente dai convertitori analogici, innanzitutto per l'assenza di un trasformatore step-down di ingresso.

Considera l'algoritmo di una tale fonte:

• L'alimentazione viene fornita al limitatore di sovratensione, il suo compito è ridurre al minimo le interferenze di rete, sia in entrata che in uscita, derivanti dal funzionamento.
• Successivamente entra in funzione un'unità per la conversione di una tensione sinusoidale in una costante pulsata e un filtro di livellamento.
• Nella fase successiva, un inverter è collegato al processo, il suo compito è formare segnali rettangolari ad alta frequenza. Il feedback all'inverter viene effettuato tramite l'unità di controllo.
• Il blocco successivo è l'IT, è necessario per la modalità generatore automatico, la tensione di alimentazione ai circuiti, la protezione, il controllo del controller e il carico. Inoltre, il compito dell'IT è fornire l'isolamento galvanico tra i circuiti ad alta e bassa tensione.

A differenza di un trasformatore step-down, il nucleo di questo dispositivo è realizzato con materiali ferrimagnetici, ciò contribuisce alla trasmissione affidabile di segnali RF, che possono essere compresi nell'intervallo 20-100 kHz. Una caratteristica dell'IT è che quando è collegato, è fondamentale attivare l'inizio e la fine degli avvolgimenti. Le ridotte dimensioni di questo dispositivo consentono di realizzare dispositivi di dimensioni miniaturizzate, ad esempio si possono fornire le tubazioni elettroniche (ballast) di un LED o una lampada a risparmio energetico.

• Successivamente, il raddrizzatore di uscita entra in funzione, poiché funziona con una tensione ad alta frequenza, il processo richiede elementi semiconduttori ad alta velocità, pertanto i diodi Schottky vengono utilizzati per questo scopo.
• Nella fase finale viene eseguito il livellamento su un filtro vantaggioso, dopodiché viene applicata la tensione al carico.

Ora, come promesso, considereremo il principio di funzionamento dell'elemento principale di questo dispositivo: l'inverter.

Come funziona un inverter?

La modulazione RF può essere eseguita in tre modi:

• frequenza-impulso;
• impulso di fase;
• larghezza di impulso.

In pratica, viene utilizzata quest'ultima opzione. Ciò è dovuto sia alla semplicità di esecuzione sia al fatto che PWM ha una frequenza di comunicazione costante, a differenza degli altri due metodi di modulazione. Di seguito è riportato uno schema a blocchi che descrive il funzionamento del controller.

L'algoritmo di funzionamento del dispositivo è il seguente:

Il generatore di frequenza master genera una serie di segnali rettangolari, la cui frequenza corrisponde a quella di riferimento. Sulla base di questo segnale si forma UP di una forma a dente di sega, che viene alimentata all'ingresso del comparatore K PWM. Il secondo ingresso di questo dispositivo è alimentato dal segnale U US proveniente dall'amplificatore di controllo. Il segnale generato da questo amplificatore corrisponde alla differenza proporzionale tra UP (tensione di riferimento) e U PC (segnale di controllo dal circuito di retroazione). Cioè il segnale di controllo U US, infatti, è un mismatch di tensione con un livello che dipende sia dalla corrente sul carico che dalla tensione su di esso (U OUT).

Questo metodo di implementazione consente di organizzare un circuito chiuso che consente di controllare la tensione di uscita, si tratta infatti di un'unità funzionale lineare-discreta. Alla sua uscita si formano degli impulsi, di durata dipendente dalla differenza tra il segnale di riferimento e quello di controllo. Sulla base di esso, viene creata una tensione per controllare il transistor chiave dell'inverter.

Il processo di stabilizzazione della tensione di uscita viene effettuato monitorando il suo livello, quando cambia, la tensione del segnale di regolazione U PC cambia proporzionalmente, il che porta ad un aumento o una diminuzione della durata tra gli impulsi.

Di conseguenza, c'è una variazione della potenza dei circuiti secondari, che garantisce la stabilizzazione della tensione di uscita.

Per garantire la sicurezza, è necessario l'isolamento galvanico tra la rete di alimentazione e il feedback. Di norma, a questo scopo vengono utilizzati fotoaccoppiatori.

Punti di forza e di debolezza delle fonti di impulso

Se confrontiamo dispositivi analogici e a impulsi della stessa potenza, questi ultimi avranno i seguenti vantaggi:

• Dimensioni e peso contenuti, per l'assenza di un trasformatore step-down a bassa frequenza e di elementi di controllo che richiedono la dissipazione del calore tramite radiatori di grandi dimensioni. Attraverso l'uso della tecnologia di conversione del segnale ad alta frequenza, è possibile ridurre la capacità dei condensatori utilizzati nei filtri, che consente l'installazione di elementi più piccoli.
• Maggiore efficienza, poiché le perdite principali sono causate solo dai transitori, mentre nei circuiti analogici molta energia viene costantemente persa durante la conversione elettromagnetica. Il risultato parla da sé, un aumento dell'efficienza fino al 95-98%.
• Costo inferiore dovuto all'uso di elementi semiconduttori meno potenti.
• Intervallo di tensione di ingresso più ampio. Questo tipo di apparecchiatura non richiede frequenza e ampiezza, pertanto è consentita la connessione a reti di vari standard.
• Disponibilità di una protezione affidabile contro cortocircuito, sovraccarico e altre situazioni di emergenza.

Gli svantaggi della tecnologia a impulsi includono:

La presenza di interferenze RF, questa è una conseguenza del funzionamento del convertitore ad alta frequenza. Un tale fattore richiede l'installazione di un filtro che sopprima le interferenze. Sfortunatamente, il suo funzionamento non è sempre efficiente, il che impone alcune restrizioni all'uso di dispositivi di questo tipo in apparecchiature ad alta precisione.

Requisiti speciali per il carico, non dovrebbe essere ridotto o aumentato. Non appena il livello di corrente supera la soglia superiore o inferiore, le caratteristiche della tensione di uscita inizieranno a differire in modo significativo da quelle standard. Di norma, i produttori (recentemente anche cinesi) provvedono a tali situazioni e installano una protezione adeguata nei loro prodotti.

Ambito di applicazione

Quasi tutta l'elettronica moderna è alimentata da blocchi di questo tipo, ad esempio possiamo fare:

Assembliamo un alimentatore a impulsi con le nostre mani

Considera un semplice circuito di alimentazione, in cui viene applicato il suddetto principio di funzionamento.

Designazioni:

• Resistori: R1 - 100 Ohm, R2 - da 150 kOhm a 300 kOhm (selezionati), R3 - 1 kOhm.
• Capacità: C1 e C2 - 0,01 uF x 630 V, C3 -22 uF x 450 V, C4 - 0,22 uF x 400 V, C5 - 6800 -15000 pF (selezionato), 012 uF, C6 - 10 uF x 50 V, C7 - 220 uF x 25 V, C8 - 22 uF x 25 V.
• Diodi: VD1-4 - KD258V, VD5 e VD7 - KD510A, VD6 - KS156A, VD8-11 - KD258A.
• Transistor VT1 - KT872A.
• Il regolatore di tensione D1 è un chip KR142 con l'indice EH5 - EH8 (a seconda della tensione di uscita richiesta).
• Trasformatore T1: viene utilizzato un nucleo di ferrite a forma di W con dimensioni di 5x5. L'avvolgimento primario è avvolto con 600 spire di filo Ø 0,1 mm, il secondario (morsetti 3-4) contiene 44 spire Ø 0,25 mm e l'ultimo - 5 spire Ø 0,1 mm.
• Fusibile FU1 - 0,25A.

L'impostazione è ridotta alla selezione dei valori nominali R2 e C5, che forniscono l'eccitazione del generatore a una tensione di ingresso di 185-240 V.

Il progresso tecnologico non si ferma e oggi i blocchi di impulsi hanno sostituito gli alimentatori a trasformatore. Ci sono molte ragioni per questo, ma le più importanti sono:

• Semplicità ed economicità nella produzione;
• Facilità d'uso;
• Compattezza e ingombri decisamente confortevoli.

Leggi la guida su come scegliere un rilevatore di filo nascosto e come utilizzarlo.

Da un punto di vista tecnico, un alimentatore switching è un dispositivo che raddrizza la tensione di rete e quindi ne forma un impulso con una risposta in frequenza di 10 kHz. Vale la pena notare che l'efficienza di questo dispositivo tecnico raggiunge l'80%.

Principio di funzionamento

In effetti, l'intero principio di funzionamento di un alimentatore switching si riduce al fatto che un dispositivo di questo tipo ha lo scopo di raddrizzare la tensione che gli viene fornita quando è collegato alla rete e quindi formare un impulso di lavoro, grazie al quale questa unità elettrica può funzionare.

Molte persone si chiedono, quali sono le principali differenze tra un dispositivo pulsato e uno convenzionale? Tutto sta nel fatto che ha caratteristiche tecniche maggiorate e ingombri ridotti. Inoltre, il blocco degli impulsi fornisce più energia rispetto alla sua versione standard.

tipi

Al momento, sul territorio della Federazione Russa, se necessario, è possibile trovare alimentatori a impulsi delle seguenti varietà e categorie:

• Semplice su IR2153: questa modifica è la più popolare tra i consumatori domestici;
• Su TL494
• Su UC3842
• Da una lampada a risparmio energetico: è qualcosa come un dispositivo tecnico modificato di tipo ibrido;
• Per un amplificatore - ha caratteristiche tecniche elevate;
• Dal reattore elettronico - dal nome è chiaro che il dispositivo si basa sul funzionamento di una bilancia di tipo elettronico. Leggi la recensione di cosa sono le lampade a LED per la casa e come scegliere.
• Regolabile: questo tipo di unità meccanica può essere configurata e regolata da sola;
• Per UMZCH - ha un'applicazione specifica ristretta;
• Potente: ha caratteristiche di alta potenza;
• A 200 volt: questo tipo di dispositivo è progettato per una tensione massima di 220 V;
• Rete 150 W - funziona solo dalla rete, potenza massima - 150 W;
• 12 V - un dispositivo di natura tecnica in grado di funzionare normalmente a una tensione di 12 V;
• 24 V - il normale funzionamento del dispositivo è possibile solo a 24 V
• Ponte - durante il montaggio è stato utilizzato uno schema di collegamento del ponte;
• Per un amplificatore a valvole: tutte le specifiche sono per il funzionamento con un amplificatore a valvole;
• Per LED: ha un'elevata sensibilità, utilizzata per lavorare con i LED;
• Bipolare ha una doppia polarità, il dispositivo soddisfa elevati standard di qualità;
• Reverse: ossessionato dal funzionamento inverso, ha indicatori di alta potenza e tensione.

schema

Tutti gli alimentatori di tipo impulsivo, a seconda dell'ambito di funzionamento e delle caratteristiche tecniche, hanno schemi differenti:

• 12 V - è l'opzione standard per il montaggio di un sistema di questo tipo;
• 2000 W: questo circuito è destinato solo a dispositivi tecnici ad alta potenza;
• Per un cacciavite da 18 V, lo schema è specifico, durante il montaggio richiede una conoscenza speciale del maestro;
• Per un amplificatore a valvole - in questo caso si tratta di un semplice progetto schematico, che, tra le altre cose, tiene conto dell'uscita all'amplificatore a valvole;
• Per laptop: richiede uno speciale sistema di protezione contro i picchi di tensione;
• Nella Top 200: le caratteristiche tecniche del dispositivo saranno 40 V e 3 A. Leggi il dispositivo dell'alternatore.
• Sul circuito TL494: tenere conto della limitazione della corrente e della regolazione della tensione di ingresso;
• Sull'UC3845 non sarà difficile assemblare un alimentatore switching secondo questo schema;
• alimentatore switching su circuito ir2153 - applicabile per amplificatori a bassa frequenza;
• Sul chip LNK364PN - implementato sulla base del design micro-schematico UC 3842;
• Su un transistor ad effetto di campo, è già chiaro dal nome che questo circuito è applicabile a un transistor ad effetto di campo;
• Schema di un alimentatore a commutazione in avanti: ha un design semplice, non richiede abilità speciali durante il montaggio.

Riparazione

L'alimentatore switching (SMPS) è di gran lunga il più utilizzato e viene utilizzato con successo in tutti i moderni dispositivi elettronici.

La figura 3 mostra uno schema a blocchi di un alimentatore switching realizzato secondo lo schema tradizionale I raddrizzatori secondari sono realizzati secondo uno schema a semionda. I nomi di questi nodi rivelano il loro scopo e non hanno bisogno di spiegazioni. I nodi principali del circuito primario sono: filtro di ingresso, raddrizzatore della tensione di rete e Convertitore RF della tensione di alimentazione raddrizzata con trasformatore.

Filtro raddrizzatore di rete

Trasformatore

Convertitore RF

Raddrizzatori secondari

Filtro di ingresso




Figura 3 - Schema strutturale di un alimentatore pulsato

Il principio alla base del funzionamento dell'SMPS è convertire la tensione alternata di rete di 220 Volt e una frequenza di 50 Hz in una tensione alternata rettangolare ad alta frequenza, che viene trasformata ai valori richiesti, rettificata e filtrata.

La conversione viene eseguita utilizzando un potente transistor funzionante in modalità chiave e un trasformatore di impulsi, che insieme formano un circuito convertitore RF. Per quanto riguarda la progettazione del circuito, ci sono due opzioni per i convertitori: la prima viene eseguita secondo il circuito dell'auto-oscillatore pulsato (ad esempio, questo è stato utilizzato nell'UPS dei televisori) e la seconda con controllo esterno (utilizzato nella maggior parte dei moderni dispositivi elettronici).

Poiché la frequenza del convertitore è solitamente selezionata da 18 a 50 kHz, le dimensioni del trasformatore di impulsi e, di conseguenza, dell'intera alimentazione sono abbastanza compatte, il che è un parametro importante per le apparecchiature moderne Un diagramma semplificato di un impulso controllato esternamente convertitore è mostrato in Figura 4.



Figura 4 - Schema di un alimentatore pulsato con una VU.

Il convertitore è realizzato su un transistor VT1 e un trasformatore T1. La tensione di rete attraverso il filtro di rete (SF) viene fornita al raddrizzatore di rete (CB), dove viene raddrizzata, filtrata dal condensatore di filtro (CF) e attraverso l'avvolgimento W1 del trasformatore T1 viene alimentata al collettore del transistor VT1. Quando un impulso rettangolare viene applicato al circuito di base del transistor, il transistor si apre e una corrente crescente scorre attraverso di esso io j. La stessa corrente scorrerà anche attraverso l'avvolgimento W1 del trasformatore T1, il che porterà al fatto che il flusso magnetico aumenta nel nucleo del trasformatore, mentre l'EMF di autoinduzione è indotto nell'avvolgimento secondario W2 del trasformatore. Alla fine, all'uscita del diodo VD apparirà una tensione positiva. Inoltre, se aumentiamo la durata dell'impulso applicato alla base del transistor VT1, la tensione aumenterà nel circuito secondario, perché. verrà ceduta più energia e, se si riduce la durata, la tensione diminuirà di conseguenza. Pertanto, modificando la durata dell'impulso nel circuito di base del transistor, possiamo modificare le tensioni di uscita dell'avvolgimento secondario T1 e quindi stabilizzare le tensioni di uscita dell'alimentatore. L'unica cosa necessaria per questo è un circuito che genererà impulsi di trigger e ne controllerà la durata (larghezza). Un controller PWM viene utilizzato come tale circuito. PWM - modulazione dell'ampiezza dell'impulso.

Per stabilizzare le tensioni di uscita dell'UPS, il circuito del controller PWM "deve conoscere" il valore delle tensioni di uscita. A tale scopo viene utilizzato un circuito di tracciamento (o circuito di retroazione), realizzato sull'accoppiatore ottico U1 e sul resistore R2. L'aumento della tensione nel circuito secondario del trasformatore T1 comporterà un aumento dell'intensità della radiazione dei LED, e di conseguenza una diminuzione della resistenza di transizione del fototransistor (che fanno parte dell'optoaccoppiatore U1). Che a sua volta comporterà un aumento della caduta di tensione attraverso il resistore R2, che è collegato in serie con il fototransistor e una diminuzione della tensione al pin 1 del controller PWM. La riduzione della tensione fa sì che il circuito logico, che fa parte del controller PWM, aumenti la durata dell'impulso finché la tensione sulla 1a uscita non corrisponde ai parametri specificati. Quando la tensione diminuisce, il processo viene invertito.

L'UPS utilizza due principi per l'implementazione dei circuiti di tracciamento: "diretto" e "indiretto". Il metodo sopra descritto è detto "diretto", in quanto la tensione di retroazione viene prelevata direttamente dal raddrizzatore secondario. Con il tracciamento "indiretto", la tensione di retroazione viene rimossa dall'avvolgimento aggiuntivo del trasformatore di impulsi (Figura 5).



Figura 5 - Schema di un alimentatore pulsato con una VU.

Una diminuzione o un aumento della tensione sull'avvolgimento W2 comporterà una variazione della tensione sull'avvolgimento W3, che viene applicata anche al pin 1 del controller PWM tramite il resistore R2.

Protezione da cortocircuito SMPS.

Cortocircuito (cortocircuito) nel carico dell'UPS. In questo caso, tutta l'energia data al circuito secondario dell'UPS andrà persa e la tensione di uscita sarà quasi zero. Di conseguenza, il circuito del controller PWM cercherà di aumentare la durata dell'impulso per aumentare il livello di questa tensione al valore appropriato. Di conseguenza, il transistor VT1 sarà sempre più lungo nello stato aperto e la corrente che lo attraversa aumenterà. Alla fine, questo porterà al fallimento di questo transistor. L'UPS è progettato per proteggere il transistor dell'inverter dalla sovracorrente in tali situazioni anomale. Si basa su un resistore Rprotect, collegato in serie al circuito attraverso il quale scorre la corrente di collettore Ik. Un aumento della corrente Ik che scorre attraverso il transistor VT1 aumenterà la caduta di tensione attraverso questo resistore e, di conseguenza, diminuirà anche la tensione fornita al pin 2 del controller PWM. Quando questa tensione scende a un certo livello, che corrisponde alla corrente massima consentita del transistor, il circuito logico del controller PWM smetterà di generare impulsi al pin 3 e l'alimentatore entrerà in modalità di protezione o, in altre parole, si spegnerà.

In conclusione, è necessario approfondire i vantaggi dell'UPS. Come già accennato, la frequenza del convertitore di impulsi è piuttosto elevata, e quindi l'ingombro del trasformatore di impulsi è ridotto, il che significa, paradossalmente, il costo di un UPS è inferiore rispetto a un alimentatore tradizionale. minor consumo di metallo per il circuito magnetico e rame per gli avvolgimenti, anche se il numero di parti nell'UPS è in aumento. Un altro vantaggio dell'UPS è la piccola capacità del condensatore di filtro del raddrizzatore secondario rispetto a un alimentatore convenzionale. La riduzione della capacità è stata resa possibile aumentando la frequenza. Infine, l'efficienza dell'alimentatore switching raggiunge l'80%. Ciò è dovuto al fatto che l'UPS consuma l'energia della rete elettrica solo durante il transistor aperto del convertitore; quando è chiuso, l'energia viene trasferita al carico a causa della scarica del condensatore di filtro del circuito secondario.

Gli svantaggi includono la complicazione del circuito dell'UPS e l'aumento del rumore impulsivo emesso dall'UPS. L'aumento del rumore è dovuto al fatto che il transistor del convertitore funziona in modalità chiave. In questa modalità, il transistor è una fonte di rumore impulsivo che si verifica nei momenti dei processi transitori del transistor. Questo è uno svantaggio di qualsiasi transistor che opera in modalità chiave. Ma se il transistor funziona con basse tensioni (ad esempio, logica transistor con una tensione di 5 V), questo non fa paura, nel nostro caso la tensione applicata al collettore del transistor è di circa 315 V. Per combattere questa interferenza, il L'UPS utilizza filtri di circuiti di rete più complessi rispetto a un alimentatore convenzionale.

Il principio dell'implementazione dell'alimentazione secondaria attraverso l'uso di dispositivi aggiuntivi che forniscono energia al circuito è stato utilizzato per molto tempo nella maggior parte degli apparecchi elettrici. Questi dispositivi sono alimentatori. Servono a convertire la tensione al livello richiesto. L'alimentatore può essere sia elementi integrati che separati. Ci sono due principi per convertire l'elettricità. Il primo si basa sull'uso di trasformatori analogici e il secondo si basa sull'uso di alimentatori switching. La differenza tra questi principi è abbastanza grande, ma, sfortunatamente, non tutti la capiscono. In questo articolo andremo a scoprire come funziona un alimentatore switching e come si discosta così tanto da uno analogico. Iniziamo. Andare!

Gli alimentatori del trasformatore sono stati i primi ad apparire. Il loro principio di funzionamento è che cambiano la struttura della tensione utilizzando un trasformatore di potenza, che è collegato a una rete a 220 V. Lì, l'ampiezza dell'armonica sinusoidale diminuisce, che va oltre il raddrizzatore. Quindi la tensione viene livellata da una capacità collegata in parallelo, che viene selezionata in base alla potenza consentita. La regolazione della tensione ai terminali di uscita viene fornita modificando la posizione dei resistori di sintonia.

Passiamo ora agli alimentatori a impulsi. Sono apparsi poco dopo, tuttavia, hanno immediatamente guadagnato una notevole popolarità grazie a una serie di caratteristiche positive, vale a dire:

• Disponibilità di picking;
• Affidabilità;
• Possibilità di ampliare il range operativo per le tensioni di uscita.

Tutti i dispositivi in ​​cui è stabilito il principio della potenza pulsata non sono praticamente diversi l'uno dall'altro.



Gli elementi di un alimentatore pulsato sono:

• Alimentazione lineare;
• Alimentazione in standby;
• Generatore (ZPI, controllo);
• Transistor a chiave;
• accoppiatore ottico;
• Circuiti di controllo.

Per trovare un alimentatore con un set specifico di parametri, utilizzare il sito Web ChipHunt.

Scopriamo finalmente come funziona un alimentatore switching. Utilizza i principi di interazione tra gli elementi del circuito dell'inverter ed è grazie a questo che si ottiene una tensione stabilizzata.

Innanzitutto, la tensione normale di 220 V viene fornita al raddrizzatore, quindi l'ampiezza viene livellata con l'aiuto di condensatori di filtro capacitivi. Successivamente, la rettifica delle sinusoidi passanti viene eseguita dal ponte a diodi di uscita. Quindi le sinusoidi vengono convertite in impulsi ad alta frequenza. La conversione può essere eseguita sia con separazione galvanica dell'alimentazione dai circuiti di uscita, sia senza tale isolamento.

Se l'alimentatore è isolato galvanicamente, i segnali ad alta frequenza vengono inviati a un trasformatore, che esegue l'isolamento galvanico. Per aumentare l'efficienza del trasformatore, la frequenza viene aumentata.

Il funzionamento di un alimentatore pulsato si basa sull'interazione di tre catene:

• Controller PWM (controlla la conversione della modulazione di larghezza di impulso);
• Cascata di interruttori di alimentazione (costituita da transistor che vengono accesi secondo uno dei tre schemi: ponte, mezzo ponte, con un punto medio);
• Trasformatore di impulsi (ha avvolgimenti primari e secondari montati attorno al circuito magnetico).



Se l'alimentazione è senza disaccoppiamento, il trasformatore di isolamento ad alta frequenza non viene utilizzato, mentre il segnale viene inviato direttamente al filtro passa basso.

Confrontando gli alimentatori switching con quelli analogici, puoi vedere gli ovvi vantaggi dei primi. Gli UPS sono più leggeri, mentre la loro efficienza è molto più elevata. Hanno una gamma di tensione di alimentazione più ampia e una protezione integrata. Il costo di tali alimentatori è generalmente inferiore.

Tra le carenze, si può individuare la presenza di interferenze ad alta frequenza e limitazioni di potenza (sia ad alti che a bassi carichi).

È possibile controllare l'UPS con una normale lampada a incandescenza. Si noti che non è necessario collegare la lampada allo spazio vuoto del transistor remoto, poiché l'avvolgimento primario non è progettato per far passare la corrente continua, quindi in nessun caso dovrebbe essere consentito il passaggio.



Se la spia è accesa, l'alimentatore funziona normalmente, se non è acceso, l'alimentatore non funziona. Un breve lampeggio indica che l'UPS si sta spegnendo subito dopo l'avvio. Un bagliore molto luminoso indica la mancanza di stabilizzazione della tensione di uscita.

Ora saprai su cosa si basa il principio di funzionamento di un alimentatore analogico convenzionale e pulsato. Ognuno di loro ha le sue caratteristiche di struttura e lavoro, che dovrebbero essere comprese. È inoltre possibile controllare il funzionamento dell'UPS utilizzando una lampada a incandescenza convenzionale. Scrivi nei commenti questo articolo ti è stato utile e fai tutte le domande che hai sull'argomento trattato.



• introduzione
• Conclusione

introduzione

Gli alimentatori a commutazione stanno ora sostituendo con sicurezza quelli lineari obsoleti. Il motivo sono le elevate prestazioni insite in questi alimentatori, la compattezza e le migliori prestazioni di stabilizzazione.

Con quei rapidi cambiamenti che hanno subito negli ultimi anni i principi dell'alimentazione delle apparecchiature elettroniche, le informazioni sul calcolo, la costruzione e l'uso degli alimentatori switching stanno diventando sempre più rilevanti.

Di recente, tra gli specialisti nel campo dell'elettronica e dell'ingegneria radio, nonché nella produzione industriale, gli alimentatori a commutazione hanno guadagnato particolare popolarità. C'è stata una tendenza ad abbandonare i tipici trasformatori ingombranti e passare a progetti di piccole dimensioni di alimentatori a commutazione, convertitori di tensione, convertitori e inverter.

In generale, il tema degli alimentatori switching è abbastanza rilevante e interessante, ed è una delle aree più importanti dell'elettronica di potenza. Questa area dell'elettronica è promettente e in rapido sviluppo. E il suo obiettivo principale è sviluppare potenti dispositivi di alimentazione che soddisfino i moderni requisiti di affidabilità, qualità, durata, riduzione al minimo di peso, dimensioni, consumo di energia e materiale. Va notato che quasi tutta l'elettronica moderna, compresi tutti i tipi di computer, apparecchiature audio, video e altri dispositivi moderni, sono alimentati da alimentatori a commutazione compatti, il che conferma ancora una volta l'importanza dell'ulteriore sviluppo di quest'area di alimentatori .

1. Il principio di funzionamento degli alimentatori a commutazione

L'alimentatore switching è un sistema inverter. Negli alimentatori switching, la tensione di ingresso CA viene prima raddrizzata. La tensione continua risultante viene convertita in impulsi rettangolari di frequenza aumentata e di un certo duty cycle, forniti o al trasformatore (nel caso di alimentatori pulsati con isolamento galvanico dalla rete) o direttamente al filtro passa basso di uscita (in impulsi alimentatori senza isolamento galvanico). Negli alimentatori a impulsi possono essere utilizzati trasformatori di piccole dimensioni: ciò è spiegato dal fatto che all'aumentare della frequenza aumenta l'efficienza del trasformatore e diminuiscono i requisiti per le dimensioni (sezione) del nucleo richieste per il trasferimento di potenza equivalente. Nella maggior parte dei casi, un tale nucleo può essere costituito da materiali ferromagnetici, a differenza dei nuclei dei trasformatori a bassa frequenza, che utilizzano acciaio elettrico.

Figura 1 - Schema strutturale di un alimentatore switching

La tensione di rete viene fornita al raddrizzatore, dopodiché viene livellata da un filtro capacitivo. Dal condensatore del filtro, la cui tensione aumenta, la tensione rettificata attraverso l'avvolgimento del trasformatore entra nel collettore del transistor, che funge da chiave. Il dispositivo di controllo fornisce l'accensione e lo spegnimento periodici del transistor. Per avviare in modo affidabile l'alimentatore, viene utilizzato un oscillatore master realizzato su un microcircuito. Gli impulsi vengono inviati alla base del transistor a chiave e provocano l'inizio del ciclo di funzionamento dell'oscillatore. Il dispositivo di controllo è responsabile del monitoraggio del livello di tensione in uscita, della generazione di un segnale di errore e, spesso, del controllo diretto della chiave. Il microcircuito dell'oscillatore principale è alimentato da una catena di resistori direttamente dall'ingresso della capacità di accumulo, stabilizzando la tensione con la capacità di riferimento. L'oscillatore principale e il transistor chiave del circuito secondario sono responsabili del funzionamento dell'accoppiatore ottico. Più aperti sono i transistor responsabili del funzionamento dell'accoppiatore ottico, minore è l'ampiezza degli impulsi di feedback, prima si spegnerà il transistor di potenza e meno energia si accumulerà nel trasformatore, il che farà aumentare la tensione all'uscita della sorgente da fermare. È arrivata la modalità di funzionamento dell'alimentatore, dove l'optoaccoppiatore gioca un ruolo importante, come regolatore e gestore delle tensioni di uscita.

Le specifiche di un alimentatore industriale sono più rigorose di quelle di un alimentatore domestico convenzionale. Ciò si esprime non solo nel fatto che all'ingresso dell'alimentatore agisce un'elevata tensione trifase, ma anche nel fatto che gli alimentatori industriali devono rimanere operativi con uno scostamento significativo della tensione di ingresso dal valore nominale, compreso cali e picchi di tensione, nonché la perdita di una o più fasi.

Figura 2 - Schema schematico di un alimentatore switching.

Lo schema funziona come segue. L'ingresso trifase può essere a tre fili, quattro fili o anche monofase. Il raddrizzatore trifase è costituito dai diodi D1 - D8.

I resistori R1 - R4 forniscono protezione contro le sovratensioni. L'uso di resistori di protezione con apertura di sovraccarico rende superfluo l'uso di fusibili separati. La tensione rettificata in ingresso viene filtrata da un filtro a forma di U composto da C5, C6, C7, C8 e L1.

I resistori R13 e R15 equalizzano la tensione ai capi dei condensatori del filtro di ingresso.

Quando il MOSFET di U1 si apre, il potenziale della sorgente di Q1 diminuisce, la corrente di gate è fornita dai resistori R6, R7 e R8, rispettivamente, la capacità delle giunzioni VR1 ... VR3 apre Q1. Il diodo Zener VR4 limita la tensione source-gate applicata a Q1. Quando il MOSFET U1 si chiude, la tensione di drain è limitata a 450 volt dal circuito di clamp VR1, VR2, VR3. L'eventuale tensione aggiuntiva all'estremità dell'avvolgimento sarà dissipata da Q1. Questa connessione distribuisce efficacemente la tensione rettificata totale a Q1 e U1.

Il circuito di assorbimento VR5, D9, R10 assorbe le sovratensioni sull'avvolgimento primario dovute all'induzione di perdite del trasformatore durante il funzionamento inverso.

La rettifica dell'uscita è effettuata dal diodo D1. C2 - filtro di uscita. L2 e C3 formano un secondo stadio di filtro per ridurre l'instabilità della tensione di uscita.

VR6 inizia a condurre quando la tensione di uscita supera la caduta tra VR6 e l'accoppiatore ottico. Una variazione della tensione di uscita provoca una variazione della corrente che scorre attraverso il diodo fotoaccoppiatore U2, che a sua volta provoca una variazione di corrente attraverso il transistor fotoaccoppiatore U2. Quando questa corrente supera la soglia sul pin FB di U1, il ciclo di lavoro successivo viene saltato. Il livello di tensione di uscita specificato viene mantenuto regolando il numero di cicli di lavoro saltati e perfetti. Una volta che il ciclo di lavoro è iniziato, terminerà quando la corrente attraverso U1 raggiunge il limite interno impostato. R11 limita la corrente attraverso l'accoppiatore ottico e imposta il guadagno di feedback. Il resistore R12 fornisce una polarizzazione a VR6.

Questo circuito è protetto da circuito aperto, cortocircuito in uscita, sovraccarico dovuto alle funzioni integrate in U1 (LNK304). Poiché il chip è alimentato direttamente dal suo pin di drenaggio, non è richiesto alcun avvolgimento di alimentazione separato.

Negli alimentatori switching, la stabilizzazione della tensione è fornita tramite feedback negativo. Il feedback consente di mantenere la tensione di uscita a un livello relativamente costante, indipendentemente dalle fluttuazioni della tensione di ingresso e del carico. Il feedback può essere organizzato in vari modi. Nel caso di sorgenti d'impulso con isolamento galvanico dalla rete di alimentazione, i metodi più comuni sono l'utilizzo della comunicazione attraverso uno degli avvolgimenti di uscita del trasformatore o l'utilizzo di un fotoaccoppiatore. A seconda dell'ampiezza del segnale di feedback (a seconda della tensione di uscita), il duty cycle degli impulsi all'uscita del controller PWM cambia. Se non è richiesto il disaccoppiamento, viene solitamente utilizzato un semplice partitore di tensione resistivo. Pertanto, l'alimentatore mantiene una tensione di uscita stabile.

2. Principali parametri e caratteristiche degli alimentatori switching

La classificazione degli alimentatori switching (SMPS) viene effettuata in base a diversi criteri principali:

Per tipo di tensione di ingresso e di uscita;

Per tipologia;

La forma della tensione di uscita;

Per tipo di filiera;

Per tensione sul carico;

Per potenza di carico;

Per la natura della corrente di carico;

Dal numero di uscite;

Secondo la stabilità della tensione sul carico.

Tipo di tensione di ingresso e di uscita

1. AC/DC sono convertitori AC/DC. Tali convertitori sono utilizzati in un'ampia varietà di settori: automazione industriale, apparecchiature per telecomunicazioni, strumentazione, apparecchiature per l'elaborazione dati industriale, apparecchiature di sicurezza e apparecchiature per scopi speciali.

2. DC/DC sono convertitori di tensione CC. Tali convertitori CC/CC utilizzano trasformatori di impulsi con due o più avvolgimenti e non vi è alcuna connessione tra i circuiti di ingresso e di uscita. I trasformatori di impulsi hanno una grande differenza di potenziale tra l'ingresso e l'uscita del convertitore. Un esempio della loro applicazione può essere un alimentatore (PSU) per torce a impulsi con una tensione di uscita di circa 400 V.

3. DC/AC sono convertitori DC/AC (inventore). Lo scopo principale degli inverter è il lavoro nel materiale rotabile di veicoli ferroviari e di altro tipo con una rete a tensione continua di bordo. Possono essere utilizzati anche come convertitori principali come parte di alimentatori di backup.

L'elevata capacità di sovraccarico consente di alimentare un'ampia gamma di dispositivi e apparecchiature, inclusi motori a condensatori per compressori di refrigerazione e condizionamento.

Per tipologia Gli IIP sono classificati come segue:

convertitori di impulsi flyback (flybackconverter);

convertitori di impulsi diretti (forwardconverter);

convertitori con uscita push-pull (push-pull);

convertitori con uscita a semiponte (convertitore a semiponte);

convertitori di uscita a ponte (fullbridgeconverter).

In base alla tensione di uscita Gli IP sono classificati come segue:

1. Con onda sinusoidale modificata

2. Con un'onda sinusoidale regolare.

Figura 3 - Forme d'onda di uscita

Per tipo di filiera:

SMPS che utilizza l'energia elettrica ricevuta da una rete CA monofase;

SMPS che utilizza l'energia elettrica ricevuta da una rete CA trifase;

SMPS che utilizzano l'energia elettrica di una sorgente CC autonoma.

Tensione di carico:

Per potenza di carico:

SMPS a bassa potenza (fino a 100 W);

SMPS di media potenza (da 100 a 1000 W);

SMPS ad alta potenza (oltre 1000 W).

Per tipo di corrente di carico:

SMPS con uscita AC;

SMPS con uscita DC;

SMPS con uscita AC e DC.

Per numero di uscite:

SMPS a canale singolo con un'uscita in corrente continua o alternata;

SMPS multicanale con due o più tensioni di uscita.

In base alla stabilità della tensione sul carico:

IIP stabilizzato;

IIP non stabilizzato.

3. I principali metodi di costruzione di alimentatori switching

La figura seguente mostra l'aspetto di un alimentatore switching.

Figura 4 - Alimentatore switching

Quindi, per cominciare, descriviamo in termini generali quali sono i moduli principali in qualsiasi alimentatore switching. In una versione tipica, un alimentatore switching può essere suddiviso condizionatamente in tre parti funzionali. Questo:

1. Controller PWM (PWM), sulla base del quale viene assemblato un oscillatore master, solitamente con una frequenza di circa 30 ... 60 kHz;

2. Una cascata di interruttori di alimentazione, il cui ruolo può essere svolto da potenti transistor bipolari, ad effetto di campo o IGBT (isolated gate bipolar); questo stadio di potenza può includere un circuito di controllo aggiuntivo per questi stessi tasti su driver integrati o transistor a bassa potenza; importante è anche lo schema di commutazione degli interruttori di potenza: ponte (ponte intero), semiponte (semiponte) o con punto medio (push-pool);

3. Trasformatore di impulsi con avvolgimento (i) primario (i) e secondario (i) e, di conseguenza, diodi raddrizzatori, filtri, stabilizzatori, ecc. all'uscita; come nucleo viene solitamente scelta la ferrite o alsifer; in generale, quei materiali magnetici in grado di operare ad alte frequenze (in alcuni casi superiori a 100 kHz).

Esistono tre modi principali per costruire un alimentatore a impulsi (vedi Fig. 3): step-up (la tensione di uscita è maggiore dell'ingresso), step-down (la tensione di uscita è inferiore a quella di ingresso) e invertente (la tensione di uscita ha la polarità opposta rispetto all'ingresso). Come si può vedere dalla figura, differiscono solo nel modo di collegare l'induttanza, altrimenti il ​​principio di funzionamento rimane invariato, ovvero.

commutazione della tensione di alimentazione

Figura 5 - Schemi a blocchi tipici degli alimentatori switching

Un elemento chiave (di solito vengono utilizzati transistor bipolari o MOS), operando a una frequenza di circa 20-100 kHz, periodicamente per un breve periodo (non più del 50% delle volte) applica l'intera tensione non stabilizzata in ingresso all'induttore. La corrente pulsata che scorre attraverso la bobina assicura l'accumulo di energia nel suo campo magnetico 1/2LI^2 su ogni impulso. L'energia immagazzinata in questo modo dalla bobina viene trasferita al carico (direttamente, utilizzando un diodo raddrizzatore, o attraverso l'avvolgimento secondario e quindi rettificata), il condensatore del filtro livellatore di uscita assicura che la tensione e la corrente di uscita siano costanti. La stabilizzazione della tensione di uscita è fornita dalla regolazione automatica dell'ampiezza o della frequenza degli impulsi sull'elemento chiave (il circuito di feedback è progettato per monitorare la tensione di uscita).

Questo schema, sebbene piuttosto complesso, può aumentare notevolmente l'efficienza dell'intero dispositivo. Il fatto è che, in questo caso, oltre al carico stesso, non ci sono elementi di potenza nel circuito che dissipano una potenza significativa. I transistor chiave funzionano in modalità chiave satura (ovvero, la caduta di tensione su di essi è piccola) e dissipano potenza solo in intervalli di tempo abbastanza brevi (tempo di erogazione dell'impulso). Inoltre, aumentando la frequenza di conversione, è possibile aumentare notevolmente la potenza e migliorare le caratteristiche di peso e dimensioni.

Un importante vantaggio tecnologico dell'IP pulsato è la possibilità di costruire sulla loro base IP di rete di piccole dimensioni con isolamento galvanico dalla rete per alimentare un'ampia varietà di apparecchiature. Tali IP sono costruiti senza l'uso di un ingombrante trasformatore di potenza a bassa frequenza secondo il circuito del convertitore ad alta frequenza. Si tratta, infatti, di un tipico circuito di un alimentatore pulsato con riduzione di tensione, in cui una tensione di rete raddrizzata viene utilizzata come tensione di ingresso, e un trasformatore ad alta frequenza (di piccole dimensioni e ad alto rendimento) viene utilizzato come elemento di accumulo, dall'avvolgimento secondario di cui viene rimossa la tensione stabilizzata di uscita (questo trasformatore fornisce anche l'isolamento galvanico dalla rete).

Gli svantaggi degli alimentatori pulsati includono: la presenza di un elevato livello di rumore impulsivo in uscita, elevata complessità e bassa affidabilità (soprattutto nella produzione artigianale), la necessità di utilizzare costosi componenti ad alta tensione ad alta frequenza, che, nel in caso di minimo malfunzionamento, falliscono facilmente "in massa" (con questo, di regola, si possono osservare impressionanti effetti pirotecnici). Coloro a cui piace approfondire l'interno dei dispositivi con un cacciavite e un saldatore dovranno prestare estrema attenzione quando si progetta una rete IP pulsata, poiché molti elementi di tali circuiti sono ad alta tensione.

4. Varietà di soluzioni circuitali per alimentatori switching

Lo schema dell'SMPS degli anni '90 è mostrato in Fig. 6. L'alimentatore contiene un raddrizzatore di rete VD1-VD4, un filtro antidisturbi L1C1-SZ, un convertitore basato su un transistor di commutazione VT1 e un trasformatore di impulsi T1, un raddrizzatore di uscita VD8 con un filtro C9C10L2 e un'unità di stabilizzazione realizzata su uno stabilizzatore DA1 e un fotoaccoppiatore U1.

Figura 6 - Alimentatore switching dagli anni '90

Lo schema dell'SMPS è mostrato in Fig. 7. Il fusibile FU1 protegge gli elementi dalle emergenze. Il termistore RK1 limita l'impulso della corrente di carica del condensatore C2 a un valore sicuro per il ponte a diodi VD1 e insieme al condensatore C1 forma un filtro RC, che serve a ridurre il rumore dell'impulso che penetra dall'SMPS alla rete. Il ponte a diodi VD1 rettifica la tensione di rete, il condensatore C2 è di livellamento. Le sovratensioni dell'avvolgimento primario del trasformatore T1 sono ridotte dal circuito di smorzamento R1C5VD2. Il condensatore C4 è un filtro di potenza da cui vengono alimentati gli elementi interni del chip DA1.

Il raddrizzatore di uscita è assemblato su un diodo Schottky VD3, l'ondulazione della tensione di uscita è attenuata dal filtro LC C6C7L1C8. Gli elementi R2, R3, VD4 e U1 forniscono, insieme al chip DA1, la stabilizzazione della tensione di uscita al variare della corrente di carico e della tensione di rete. Il circuito di indicazione dell'accensione è realizzato sul LED HL1 e sul resistore limitatore di corrente R4.

Figura 7 - Alimentatore switching degli anni 2000

In Fig. 8, un alimentatore switching push-pull con uno stadio terminale di potenza a semiponte, costituito da due potenti MOSFET IRFP460. Il chip K1156EU2R è stato scelto come controller PWM.

Inoltre, con l'aiuto di un relè e di un resistore di limitazione R1 in ingresso, viene implementato un avvio graduale per evitare improvvisi picchi di corrente. Il relè può essere utilizzato sia per 12 che per 24 volt con la selezione del resistore R19. Il varistore RU1 protegge il circuito di ingresso da impulsi di ampiezza eccessiva. I condensatori C1-C4 e un induttore a due avvolgimenti L1 formano un filtro di soppressione del rumore di rete che impedisce la penetrazione delle increspature ad alta frequenza create dal convertitore nella rete di alimentazione.

Il resistore trimmer R16 e il condensatore C12 determinano la frequenza di conversione.

Per ridurre l'EMF dell'autoinduzione del trasformatore T2, i diodi smorzatori VD7 e VD8 sono collegati in parallelo ai canali dei transistor. I diodi Schottky VD2 e VD3 proteggono i transistor di commutazione e le uscite del circuito di tensione inversa DA2 dagli impulsi.

Figura 8 - Moderno alimentatore switching

Conclusione

Nel corso del lavoro di ricerca svolto, ho condotto uno studio sugli alimentatori switching, che ha permesso di analizzare la circuiteria esistente di questi dispositivi e trarre le opportune conclusioni.

Gli alimentatori a commutazione presentano vantaggi molto maggiori rispetto ad altri: hanno un'efficienza maggiore, hanno massa e volume significativamente inferiori, inoltre hanno un costo molto inferiore, il che alla fine porta al loro prezzo relativamente basso per i consumatori e, di conseguenza, alto domanda nel mercato.

Molti moderni componenti elettronici utilizzati nei moderni dispositivi e sistemi elettronici richiedono un'alimentazione di alta qualità. Inoltre, la tensione di uscita (corrente) deve essere stabile, avere la forma richiesta (ad esempio, per gli inverter), nonché un livello minimo di ondulazione (ad esempio, per i raddrizzatori).

Pertanto, gli alimentatori switching sono parte integrante di qualsiasi dispositivo e sistema elettronico alimentato sia da una rete industriale a 220 V che da altre fonti di energia. Allo stesso tempo, l'affidabilità del funzionamento di un dispositivo elettronico dipende direttamente dalla qualità della fonte di alimentazione.

Pertanto, lo sviluppo di nuovi circuiti migliorati di alimentatori a commutazione migliorerà le caratteristiche tecniche e operative dei dispositivi e dei sistemi elettronici.

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