Импульсные источники электропитания - инверторы.

 

   
Импульсные источники вторичного электропитания нашли широкое распространение в бытовой и промышленной аппаратуре. Импульсные источники электропитания вырабатывают постоянные и переменные напряжения, необходимые для электропитания блоков аппаратуры , путем ключевого преобразования выпрямленного сетевого напряжения 220 вольт и 50 герц.
    Преимущество ИБП по сравнению с традиционным трансформаторным источником питания обеспечивается заменой силового трансформатора, работающего на частоте промышленной сети 50 герц, малогабаритным импульсным трансформатором, работающим на частотах 16 – 40 килогерц, а также использованием импульсных методов стабилизации вторичных напряжений взамен компенсационных. Это приводит к снижению веса и габаритов изделия в 2-3 раза и повышению КПД источника до 80 - 90 %, а значит, дополнительно экономит электрическую энергию.
    Ключевые каскады преобразователя напряжения строятся по однотактной и двухтактной схемам.
В старых транзисторных телевизорах, в силу их специфического схемного построения, использовались однотактные ИБП.
    Однотактные ИБП используются также в устройствах малой мощности до 50 ватт и более. Наглядным примером являются различные зарядные устройства для питания мобильных телефонов, ноутбуков и много другого. Они нашли широкое распространение из-за простоты изготовления, малых размеров и высокой надежности.


На рисунке изображена плата зарядного устройства от мобильного телефона. Она преобразует переменное напряжение 110 – 220 вольт в постоянное напряжение 5 вольт.
    Увеличение мощности однотактных ИБП оказывается неэффективным из-за роста габаритных размеров и массы импульсного трансформатора (в сравнении с двухтактной схемой) и повышенных требований к ключевому транзистору (высокие напряжение и ток).
Двухтактные ИБП применяются при мощностях от нескольких ватт до сотен ватт, ввиду их простоты и экономичности.
 

Пример использования двухтактного преобразователя:

Энергосберегающие лампы мощностью 20 ватт. Мощные компьютерные блоки питания.

     


Однотактная схема ИБП
    Однотактная схема ИБП представляет из себя преобразователь переменного напряжения сети (или постоянного напряжения аккумуляторной батареи) одной величины, в постоянное (выпрямленное) напряжение другой величины.
Генератор ВЧ напряжения, частотой 20 – 100 килогерц, может быть с самовозбуждением (автогенератор) или с внешним возбуждением (дополнительный генератор).
В маломощных (до10 ватт) и простых ИБП в основном применяется самовозбуждающийся автогенераторный преобразователь.
    Смотрите схему простого однотактного, с самовозбуждением, импульсного источника питания.

    Однотактная схема ИБП состоит из выпрямителя (Д1 – Д4) со сглаживающим конденсатором С1. В нем напряжение сети 220 вольт преобразуется в постоянное напряжение 310 вольт. Затем с помощью генератора импульсного напряжения (транзистор Т, трансформатор Тр), вырабатываются импульсы прямоугольной формы.
    С вторичной обмотки прямоугольные импульсы поступают на выпрямитель (Д6) со сглаживающим конденсатором (С5), получается постоянное напряжение. Само преобразование напряжения происходит на ферритовом трансформаторе. Выходное напряжение зависит от соотношения витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.
    Существенным недостатком однотактной схемы преобразователя является большое напряжение самоиндукции, наводимое в первичной обмотке трансформатора, превосходящее входное напряжение питания Eп в 2-4 раза. В таких схемах нужны транзисторы, имеющие максимальное напряжение коллектор - эмиттер равное 700-1000 вольт.
    Применяют различные способы снижения выбросов напряжения на коллекторе транзистора: включаются RC цепочки (С2, R3) параллельно первичной обмотке трансформатора и конденсатор C4 в цепи вторичной обмотки.
    При использовании дополнительных устройств стабилизации выходного напряжения, например широтно – импульсной модуляции (ШИМ), возможна работа однотактного ИБП при изменении подключаемой нагрузки в широких пределах (от Р=0 до Pmax) при неизменном выходном напряжении.
Применяются и другие технические приемы защиты ключевого транзистора от перенапряжения.

    Плюсы и минусы однотактной схемы ИБП.

    Плюсы:

  • - один ключевой транзистор в схеме,

  • - схема проще, чем двухтактная.

    Минусы
    :

  • - намагничивание ферритового сердечника происходит только в одной полярности, (пассивное размагничивание сердечника), вследствие чего не полностью используется магнитная индукция сердечника. Не полностью используется ферритовый сердечник по мощности. Необходим зазор в магнитном сердечнике.

  • -при среднем токе потребления от сети, ток через транзистор больше в n-раз (зависит от скважности импульсов) и потому необходимо выбирать транзистор с заведомо большим максимальным током.

  • -возникают большие перенапряжения на элементах схемы, достигающие 700 – 1000 вольт.

  • -необходимо применять специальные меры защиты от перенапряжения на элементах схемы.

Двухтактная схема ИБП
    Двухтактная автогенераторная схема ИБП состоит из выпрямителя входного переменного напряжения 220 вольт, устройства запуска генератора, генератора прямоугольных импульсов и выпрямителя выходного напряжения с конденсатором фильтра.
На рисунке изображена простая наиболее распространенная двухтактная схема автогенераторного, импульсного преобразователя – инвертора, полумостовая схема.
 


    По сравнению со схемой однотактного автогенератора, двухтактный автогенератор имеет более сложную схему.

    Добавляется:

  • - устройство автоматического запуска генератора импульсов;

  • - еще один ключевой транзистор;

  • - дополнительный трансформатор Тр1, для управления ключевыми транзисторами;

  • - два конденсатора полумоста (С3, С4);

  • - два диода (Д5, Д8) для защиты транзисторов от пробоя.

    Двухтактная схема ИБП имеет ряд преимуществ перед однотактной схемой:

  • - ферритовый сердечник выходного трансформатора Тр2 работает с активным перемагничиванием (наиболее полно используется магнитный сердечник по мощности);

  • - напряжение коллектор – эмиттер Uэк на каждом транзисторе не превышает напряжение источника питания 310 вольт;

  • - при изменении тока нагрузки от I = 0 до Imax, выходное напряжение изменяется незначительно;

  • - выбросы высокого напряжения в первичной обмотке очень малы, соответственно меньше уровень излучаемых помех

    Несмотря на повышенную сложность двухтактная схема, в сравнении с однотактной, проще в настройке и эксплуатации.
     

2014 г.   Виктор Егель