Высокочастотный источник питания

Каталог радиолюбительских схем

Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя

Достаточно часто при конструировании устройств возникают жесткие требования к размерам источника питания. В этом случае единственным выходом является применение ИП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей. которые подключаются к сети

220 В без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче.

Структурная схема типового импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети представлена на рис 1.

Рис. 1. Структурная схема типового высокочастотного преобразователя с питанием от промышленной сети.

Входной фильтр предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Силовые ключи обеспечивают подачу импульсов высокого напряжения на первичную обмотку высокочастотного трансформатора (могут применяться одно- и

двухтактные схемы). Частота и длительность импульсов задаются управляемым генератором (обычно применяется управление шириной импульсов, реже - частотой). В отличие от трансформаторов синусоидального сигнала низкой частоты, в импульсных ИП применяются широкополосные устройства, обеспечивающие эффективную передачу мощности на сигналах с быстрыми фронтами. Это накладывает существенные требования на тип применяемого магнитопровода и конструкцию трансформатора. С другой стороны, с увеличением частоты требуемые размеры трансформатора (с сохранением передаваемой мощности) уменьшаются (современные материалы позволяют строить мощные трансформаторы с приемлемым КПД на частоты до 100-400 кГц). Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением и затем управляет генератором. Обратите внимание на наличие гальванической развязки в цепи обратной связи, что необходимо, если мы хотим обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

При изготовлении таких ИП возникают серьезные требования к применяемым компонентам (что повышает их стоимость по сравнению с традиционными). Во-первых, это касается рабочего напряжения диодов выпрямителя, конденсаторов фильтра и ключевых транзисторов, которое не должно быть менее 350 В во избежание пробоев. Во-вторых, должны применяться высокочастотные ключевые транзисторы (рабочая частота 20-100 кГц) и специальные керамические конденсаторы (обычные оксидные электролиты на высоких частотах будут перегреваться ввиду их высокой индуктивности). И. в-третьих, частота насыщения высокочастотного трансформатора, определяемая типом применяемого магнитопро вода (как правило, используются тороидальные сердечники) должна быть значительно выше рабочей частоты преобразователя.

На рис. 2 приведена принципиальная схема классического ИП на основе высокочастотного преобразователя.

Рис. 2. Источник питания на основе импульсного ВЧ-преобразователя.

Фильтр, состоящий из емкостей С1, С2, С- и дросселей L1, L2, служит для зашиты питающей сети от высокочастотных помех со стороны преобразователя. Генератор построен по автоколебательной схеме и совмещен с ключевым каскадом. Ключевые транзисторы VT1 и VT2 работают в противофазе, открываясь и закрываясь по очереди. -апуск генератора и надежную работу обеспечивает транзистор VT3, работающий в режиме лавинного пробоя. При нарастании напряжения на С6 через R3 транзистор открывается и конденсатор разряжается на базу VT2, запуская работу генератора. Напряжение обратной связи снимается с дополнительной (III) обмотки силового трансформатора Tpl.

Транзисторы VT1. VT2 устанавливают на пластинчатые радиаторы не менее 100 см^2. Диоды VD2-VD5 с барьером Шоттки ставятся на небольшой радиатор 5 см^2. Данные дросселей и трансформаторов:L1-1. L2 наматывают на кольцах из феррита 2000НМ К12х8х3 в два провода проводом ПЭЛШО 0,25: 20 витков. ТР1 - на двух кольцах, сложенных вместе, феррит 2000НН К- 1х18.5х7;

обмотка 1 - 82 витка проводом ПЭВ-2 0,5: обмотка II - 25+25 витков проводом ПЭВ-2 1,0: обмотка III - 2 витка проводом ПЭВ-2 0.3. ТР2 наматывают на кольце из феррита 2000НН К10х6х5. все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2 0.3: обмотка 1 - 10 витков:

обмотки II и III - по 6 витков, обе обмотки (II и III) намотаны так, что занимают на кольце по 50% площади не касаясь и не перекрывая друг друга, обмотка I намотана равномерно по всему кольцу и изолирована слоем лакоткани. Катушки фильтра выпрямителя L3, L4 наматывают на феррите 2000НМ К 12х8х3 проводом ПЭВ-2 1,0. количество витков - 30. В качестве ключевых транзисторов VT1, VT2 могут применяться КТ809А. КТ812, КТ841.

Номиналы элементов и намоточные данные трансформаторов приведены для выходного напряжения 35 В. В случае, когда требуются иные рабочие значения параметров, следует соответству ющим образом изменить количество витков в обмотке 2 Тр1.

Описанная схема имеет существенные недостатки, обусловленные стремлением предельно уменьшить количество применяемых компонентов Это и низкий "уровень стабилизации выходного напряжения, и нестабильная ненадежная работа, и низкий выходной ток. Однако она вполне пригодна для питания простейших конструкций разной мощности (при применении соответствующих компонентов), таких как: калькуляторы. АОНы. осветительные приборы и т.п.

Рис. 3. Сетевой импульсный источник питания на основе ВЧ-преобразователя.

Еще одна схема ИП на основе высокочастотного импульсного преобразователя приведена на рис. 3. Основным отличием этой схемы от стандартной структуры, представленной на рис. 2 является отсутствие цепи обратной связи. В связи с этим, стабильность напряжения на выходных обмотках ВЧ трансформатора Тр2 достаточно низкая и требуется применение вторичных стабилизаторов (в схеме используются универсальные интегральные стабилизаторы на ИС серии КР142).

*****

Регулируемый высокочастотный источник питания

le делам изееретеккк и юткрытий

Опубликовано 30,01.83. Бюллетень М 4 (63) УДК 621.314. 572(088.8) Дата опубликования описания 30.01.83

В.И.Иарон, Ю,И.Зинин, А.В.Иванов и П.С.Рой ман

Уфимский авиационный институт им. ОрджоникЪЦве---. (72) Авторы изобретения (73) Заявитель (54) РЕГУЛИРУЕЮФЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для реализации электротермических технологических процессов.

Известны высокочастотные источники питания, которые содержат тиристоры и колебательные LC-цепи (1 3.

Однако данные устройства обладают низкой надежностью, обусловленной сильной зависимостью токов и напряжений в инверторе от величины выходной мощности.

Наиболее близким к предлагаемому является высокочастотный источник пи" тания, который содержит встречнопараллельные пары вентилей, связанные с входным индуктивным фильтром и ко" лебательными LC-цепями 2 $.

Недостатком известного источника питания является следующее. Если тех-2о нологическая нагрузка имеет активноиндуктивный, активный или активноемкостной характер, то регулирование мощности можно осуществлять лишь из2 менением в широком диапазоне величины частоты инвертирования. При этом регулирование мощности вверх происходит за счет увеличения амплитуды и коэффициента заполнения тока, протекающего через нагрузку, что сопровождается увеличением токов и напряжений в схеме. Для регулирования мощности в широких пределах необходимо значи" тельное изменение частоты, что ведет к ухудшению теплового режима вентилей, увеличению скорости нарастания тока и напряжения. В случае, если технологи-.„ ческая нагрузка имеет резонансный характер, для регулирования мощности достаточно изменять частоты инвертирования в узком диапазоне, охватывающем область резонанса. Однако при увеличении нагрузки (регулирование мощности вверх) также происходит увеличение скорости нарастания прямого тока и напряжения вентилей и, кроме тогоуменьшение времени восстановления.

Величина максимальной мощности в на3 993412 грузке при регулировании определяется величиной эквивалентного активного сопротивления колебательного контура нагрузки и при частотном регулировании ограничена.

Таким образом, диапазон регулирования мощности в прототипе ограничен, а регулирование мощности снижает надежность.

Цель изобретения — расширение диа- 0 пазона регулирования мощности в нагрузке и повышение надежности.

Для достижения цели в высокочастотный источник питания, содержащий встреч. но-параллельные пары вентилей, связан-15 ные с входным индуктивным фильтром и колеоательными LC-цепями дополнительно введены управляющий источник к магнитный усилитель с числом рабочих обмоток по числу вентилей инвертора, причем каждая из рабочих обмоток включена последовательно каждому из вентилей инвертора, а обмотка управления подключена к управляющему источнику. 25

Расширение диапазона регулирования мощности осуществляется за счет изменения времени задержки протекания колебательных полуволн тока относительно моментов включения управляемых вентилей. П)эи этом происходит уменьшение интервала времени между погасанием встречных диодов и следующим.отпиранием тиристоров, что ведет к увеличению амплитуды выходного

35 тока и следовательно величины мощности. В течение интервала задержки скорость нарастания тока через вентили определяется индуктивностью при насыщенных сердечниках магнитного уси- „40 лителя и поэтому мала. Задержка тока при выключении встречных диодов уменьшает коммутационные перенапряжения за счет снижения заряда рассасывания диодов, а также уменьшает крутизку фронта восстановления прямого напряжения на тиристорах. B течение времени задержки тока обратной полуволны к тиристорам приложено запирающее напряжение, что увеличивает надежность

50 работы инветора как за счет возрастания времени восстановления, так и эа счет увеличения величины восстанавливающего напряжения на тиристорах. При-. чем увеличение мощности (увеличение длительности задержки протекания ко.55 лебательных полуволн) приводит к возрастанию времени приложения восстанавливающего напряжения.

На фиг,1 предс.тавлен один из возможных вариантов выполнения источника с одной инвертирующей ячейкой; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу.

Установка (фиг.1) состоит из источника 1 питания, технологической нагрузки 2, регулируемого высокочастотного источника питания со следующими элементами: прямым тиристором 3, обратным диодом 4, дросселем фильтра 5, колебательной цепью иэ дросселя 6 и конденсатора 7, магнитным усилителем с рабочими обмотками 8, 9 и обмоткой 10 управления, подключенной к управляющему источнику 11.

Источник работает следующим образом.

Перед подачей управляющего импульса на тиристор 3 конденсатор 7 заряжается через дооссель фильтра 5 от источника 1.

При подаче импульса управления (момент й.1 фиг.2), тиристор открывается и напряжение конденсатора прикладывается к обмотке 8 магнитного усилителя, под действием которого в сердечнике этой обмотки начинает возрастать магнитный поток Ф8. С момента t насыщения сердечника в конту2 ре 7, 6, 3, 8 и 2 начинает протекать полуволна колебательного разряда. В момент t >, когда ток тиристора падает до нуля, последний запирается и напряжение переполюсованного конденсатора 7 прикладывается к обмотке 9, при этом диод 4 открыт и через него протекает небольшой по величине намагничивающий ток. Это же напряжение приложено к тиристору 3 и является для него запирающим В момент й4 насыщения сердечника обмотки 9 в контуре 7, 2, 9, 4 и 6 проткает обратная полуволна колебательного тока, в течение Г1оотекания которой к тиристору

3 приложено небольшое по величине запирающее напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде 4. В момент t> сердечник выходит из насыщения и в течение интервала происходит медленное спадание тока диода, что уменьшает перенапряжения и крутизну фронта последюущего (момента t6) восстановления прямого напряжения на тиристоре 3.

Далее в течение интервала конденсатор 7 снова заряжается, а в момент подачи следующего импульса управления процессы повторяются. Причем

5 9934 с уменьшением интервала t -t

*****

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

Предлагаем рассмотреть, что такое импульсный блок питания (ИБП), как он работает, а также как сделать это устройство в домашних условиях.

Общая информация о ИБП

ИБП — это устройство, которое выпрямляет сетевое напряжение, а затем формирует из него импульсы частотой более 10 кГц, которые после подаются на специальный импульсный трансформатор.

ИБП представляет собой электронный преобразователь, который включает в себя импульсный регулятор, для эффективного преобразования электрической энергии и широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Как и другие источники питания, ИБП передает мощность от источника электросети к нагрузке, в это время преобразовывая напряжение.

Высокочастотный источник питания

Схема — Импульсный блок питания

В идеале, импульсный блок питания не рассеивает никакой энергии. В противоположность этому, линейный источник питания регулируя выходное напряжение, непрерывно рассеивает энергию на p-n переходе транзистора. Таким образом высокая эффективность преобразования является важным преимуществом импульсного источника питания перед линейным. Кроме того, любой простой импульсный блок питания гораздо более компактен, чем трансформаторный с линейным стабилизатором, но при этом не уступает по эффективности.

Высокочастотный источник питания

Фото — Сетевой импульсный блок питания

Импульсные блоки питания используются в качестве замены линейных, так как имеют меньший размер и вес при схожей эффективности.

Видео: как сделать простой блок питания (импульсный)

Принцип действия

Рассмотрим по циклам принцип работы простого импульсного блока питания.

Если ИБП имеет входное напряжение переменного тока к примеру, в компьютере, ПК, ноутбуке, то первый этап заключается в преобразовании входящего переменного напряжения в постоянный. Блок питания с входом, рассчитанным входное напряжение постоянного тока не требует этой стадии. В некоторых блоках питания, например компьютерных, электрическая схема выпрямителя может быть сконфигурирована, как у удвоителя напряжения путем добавления переключателя управляемого вручную или автоматически. Эта функция позволяет работать источникам питания от сети которая обычно выдает 115 В или 230 В.

Выпрямитель сглаживает нерегулируемое переменное напряжение в постоянное, которое затем отправляется в накопительный конденсаторный фильтр. Ток, потребляемый от источника питания этой цепи (выпрямителя) трансформируется в короткие импульсы вокруг пиков напряжения переменного тока.

Данные сигналы имеют значительную энергию высокой частоты, которая уменьшает коэффициент мощности импульсного трансформатора, за счет чего удается уменьшить его габариты. Для коррекции этого явления многие новые ИБП используют специальную PFC схему, чтобы заставить входной ток следовать синусоидальной форме входного напряжения переменного тока и для коррекции коэффициента мощности. Импульсные источники питания, которые используют Active PFC – встречаются в камерах видеонаблюдения, компьютерах, и т. п. поддерживающие входное напряжение от

100 Вольт переменного тока до 250 В.

Импульсный обратноходовый блок питания предназначен для входа переменного напряжения, как правило, так же он может работать и от источника постоянного тока, так как постоянное напряжение будет проходить через мостовой или полумостовой выпрямитель без изменений. Если блок питания предназначен для 115 В и не имеет переключателя напряжения, то требуется напряжение 163 В постоянного тока (115 × √2).

Но этот тип использования может быть вредным для выпрямителя, т.к. он будет использовать половину диодов в выпрямителе для полной нагрузки. Это может привести к перегреву одного из составляющих выпрямителя, из-за чего значительно понижается его долговечность. С другой стороны, если источник питания имеет переключатель режимов входного напряжения 115/230В (компьютерный AT-АТХ блок питания Panasonic, Samsung, dvd-привод Vbulletin), переключатель должен быть установлен в положение 230, и получать требуемое напряжение 325 В постоянного тока (230×√2).

Диоды в этом типе питания будут отлично выпрямлять переменное напряжение, потому что они, по своим характеристикам повторяют двухполярный удвоитель напряжения. Единственным недостатком такого простого блока является его недолговечность.

После того как сетевое напряжение стало выпрямленным оно поступает на инвертор.

Инвертор импульсного блока питания преобразовывает постоянный ток в переменный, запустив его через коммутатор напряжения, чья выходная энергия трансформации очень небольшая, с несколькими десятками витков обмотки трансформатора на частоте десятков или сотен килогерц, он работает как УНЧ. Частота обычно выбирается выше 20 кГц, чтобы сделать её не слышной для человека. Коммутация выполнена в виде многоступенчатого сигнала ШИМ на ключевых MOSFET транзисторах. MOSFET транзисторы представляют собой тип устройств с низким сопротивлением открытого перехода и высокой способностью прохождения больших токов.

Высокочастотный источник питания

Фото — Принцип работы импульсного блока питания

Если выходы должны быть изолированы от входа, как это обычно бывает в сетевых источниках питания, инвертированный переменный ток используется для питания первичной обмотке высокочастотного трансформатора. Трансформатор уже повышает или понижает напряжение на вторичной обмотке до необходимого уровня. На блок-схеме это видно на выходе трансформатора.

Высокочастотный источник питания

Фото — Принципиальная схема источника питания

Для выходных напряжений выше десяти вольт используются кремниевые диоды. При более низких напряжениях, обычно используются диоды Шоттки в качестве элементов выпрямителя; они имеют преимущества :

  1. Более быстрое время восстановления, чем у кремниевых диодов (позволяет работать с малыми потерями на высоких частотах);
  2. Низкое падение напряжения при прохождении тока. Для еще более низких выходных напряжений, малогабаритные ИБП используют транзистор в качестве синхронных выпрямителей, в таком случае именно в транзисторе происходят основное выпрямление переменного напряжения..

Затем производится сглаживание с помощью фильтра, состоящего из дросселя и конденсатора. При более высоких частотах коммутации, необходимы компоненты с более низкой емкостью и индуктивностью.

Высокочастотный источник питания

Фото — Миниатюрный импульсный блок

Более простой неизолированный импульсный источник питания содержит дроссель вместо трансформатора. К такому типу относятся повышающие и понижающие преобразователи. Они принадлежат к простейшему классу с одним входом и одним выходом, которые используют один дроссель и один активный переключатель.

Как сделать блок питания своими руками

Собрать средне-мощный или маломощный импульсный блок питания своими руками для портативного телевизора или планшетного компьютера можно в домашних условиях.

Пошаговое описание. как сделать миниатюрный универсальный самодельный ИБП, который подойдет для настольной светодиодной лампы, приемника, музыкального плеера:

  1. Выберите зарядное устройство, которое может обеспечить достаточный ток для зарядки аккумулятора. Проверьте преобразователи, предназначенные для работы больших внедорожников, если делаете сложную систему.

Высокочастотный источник питания

Фото — Схема простого ИБП

Проверьте солнечные источники питания для домов и инверторы для больших систем. Убедитесь, что контакты зарядного устройства способны передать мощность для питания вашей нагрузки.

  1. Выберите батареи глубокого цикла. Не используйте автомобильный аккумулятор. Если вы будете использовать гелевые или необслуживаемые батареи, то система буде работать исправно. Для более крупных систем, состоящих из нескольких батарей глубокого цикла, нужно выбирать только AGM или аккумуляторы с жидким электролитом.

Убедитесь, что батареи вентилируются для выхода водорода. Если вы покупаете аккумуляторы с жидким электролитом, убедитесь, что устройство поддерживает выравнивание плотности заряда. Свинцово-кислотные батареи продаются номиналом 6 и 12 вольт. Вам нужно будет соединить их последовательно, чтобы поднять напряжение, или параллельно, чтобы увеличить мощность ампер-часов.

Высокочастотный источник питания

Фото — Источник питания с аккумуляторами

Расчет аккумуляторов для импульсных блоков питания с контроллером заряда и без него:

12 вольт = 2x6V – необходимо два 6 вольтовых аккумулятора, соединенных последовательно;

24 вольт = 4x6V или 2x12V батареи в последовательном соединении.

Не смешивайте разные типы батарей. Новые батареи, добавленные в существующий комплект будет способствовать снижению заряда первичных.

  1. Выберите инвертор. Необходимо купить однотактный или двухтактный повышающий инвертор. Мощность инвертора в ваттах, должна быть в 3-7раз больше, чем у номинального тока нагрузки. Инверторы доступны для входных напряжений от 12, 24, 36, 48 и до 96 вольт. Чем выше напряжение, тем лучше, особенно для больших систем. 12 вольт является наиболее распространенным, но ни в коем случае нельзя рассматривать 12 вольт для системы больше, чем 2400 Вт мощности.
  1. При помощи кабелей соедините инвертор, аккумулятор и прочие приборы.Для соединения деталей необходимо брать не тяжелые провода, чтобы они не тянули контакты.Обязательно проверяйте связь при помощи мультиметра.
  1. Отметив полярность на проводах, надежно прикрепите силовой кабель к батарее аккумуляторов и к контроллеру заряда ,это можно сделать с использованием паяльника. При помощи мультиметра проверьте все соединения проводников.
  1. Подготовьте систему зарядки. Подключите зарядное устройство к сети и включите его.
  1. Теперь нужно провести наладку системы импульсного блока питания, рассмотрим, как проверить инвертор. Прикрепите и подключите прибор, если он расположен отдельно от зарядного устройства. Подключите кабели к батареям, отметив полярность. Включите инвертор, и проверьте показания прибора с разными нагрузками переменного тока.

Главные признаки неисправности импульсного блока:

Оставьте инвертор на ночь с нагрузкой, аналогичной планируемой, и батарею заряжаться на всю ночь. Утром, батарея должна быть полностью заряжена.

  1. Теперь нужно создать защитный шкаф. Можно просто переделать готовый кожух от сгоревшей аппаратуры, смонтировать его с наличием светодиодных или галогеновых лампочек, это практически бесплатно и эффективно.

Высокочастотный источник питания

Фото — Источник бесперебойного питания в боксе

Самодельные импульсные блоки питания проще всего переделывать с уже готовых, на микросхема ШИМ серии IR2151, TL431, UC3842 с автоматическим управлением (регулировкой), их схемотехника идеально подходит для данной работы.

Главное условие – работать с защитой! Нужно надевать перчатки, очки, защитные маски.

Конечно, для работы DVD плеера или лампы освещения можно приобрести дешевый китайский прибор. Но для полевых работ лучше купить импульсный блок питания на 12 В (как для ПК) на микросхемах IR2153, TL494. его цена довольна приемлема, а схема работы универсальна. Найти прибор можно в любом электротехническом магазине Вашего города.

Также обратите внимание на модели на микросхемах таких фирм как: model APC, Logicpower, CyberPower, FSP, Dyno, Eaton, Robiton, PSU, PSS, TOP, Samsung. Регулярно проводите плановый ремонт техники, платы должны проверятся каждые полгода.

*****

Магнитополупроводниковый высокочастотный источник питания

H02M5 - Преобразование энергии переменного тока на входе в энергию переменного тока на выходе, например для изменения напряжения, частоты или числа фаз

Использование: полезная модель относится к электротехнике, а именно к ферромагнитным умножителям частоты, и может быть применена в качестве источника питания в электротехнологии при индукционном нагреве. Технический результат: расширение частотного диапазона на выходе магнитополупроводникового высокочастотного источника питания. Сущность изобретения: в магнитополу проводниковом высокочастотном источнике питания, представляющем собой четыре сердечника с расположенными на них первичными и вторичными обмотками, а также обмотками подмагничивания постоянным током и самоподмагничивания емкостным током второй гармоники, содержится два тиристорных преобразователя частоты, каждая из которых связана с парой первичных обмоток, и конденсатор, подключенный к вторичной обмотке.

Магнитополупроводниковый высокочастотный источник питания.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к ферромагнитным умножителям частоты, и может быть применена в качестве источника питания в электротехнологии при индукционном нагреве.

Известней трехфазный умножитель частоты, который содержит трехфазный трансформатор, на каждом из трех стержней которого расположены две пары первичных обмоток, подключенных к сети через транзисторы и выходную обмотку [патент РФ 2280309, H02M 5/16, 20.07.2006].

Известен удвоитель частоты, содержащий трансформатор, на каждом стержне которого расположены четыре первичные обмотки, объединенные в две пары. Каждая пара первичных обмоток замкнута на пару согласно включенных транзисторов, работающих таким образом, что используется начальная часть синусоиды питающего напряжения. Общие точки соединения транзисторов первой и второй пар и обмоток второй пары подключены в соответствии с прямой последовательностью чередования фаз к входным фазным зажимам [патент РФ 549868, H02M 5/16, 27.06.2006].

Также известен статический преобразователь частоты, содержащий трехфазный трансформатор, на каждом стержне которого расположены четыре первичные обмотки, объединенные в две пары. Обмотки каждой пары соединены последовательно [патент РФ 2280309, H02M 5/16, 27.06.2006].

Недостатками вышеизложенных аналогов является невысокий коэффициент использования преобразователя и источника питания, увеличение массогабаритных показателей ферромагнитного умножителя, который содержит дополнительную размагничивающую обмотку постоянного тока.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является магнитный источник питания, выполненный в виде ферромагнитного учетверителя частоты, представляющего собой четыре сердечника с расположенными на них первичными и вторичными обмотками, а также обмотками подмагничивания постоянным током и самоподмагничивания емкостным током второй и четвертой гармоники [патент РФ 570964, H02M 5/16, 30.08.1977].

Недостатком ближайшего аналога является необходимость наличия преобразователя частоты в случае получения двухфазного напряжения для питания первичных обмоток.

Задача полезной модели - уменьшение массогабаритных показателей магнитополупроводникового высокочастотного источника питания и расширение его функциональных возможностей.

Технический результат - расширение частотного диапазона на выходе магнитополупроводникового высокочастотного источника питания.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в магнитополупроводниковом высокочастотном источнике питания, представляющем собой четыре сердечника с расположенными на них первичными и вторичными обмотками, а также обмотками подмагничивания постоянным током и самоподмагничивания емкостным током второй гармоники, содержится два тиристорных преобразователя частоты, каждый из которых связан с парой первичных обмоток, и конденсатор, подключенный к вторичной обмотке.

Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. изображена электрическая схема устройства.

Магнитополупроводниковый высокочастотный источник питания содержит четыре многообмоточных насыщенных сердечника 1. Каждый сердечник содержит первичную 2 и вторичную 3 обмотки, обмотки подмагничивания постоянным током 4, самоподмагничивания током второй гармоники 5. Первичные обмотки соединяются встречно. Пары первичных обмоток питаются напряжением со сдвигом 90° от тиристорных преобразователей частоты 6. Вторичные обмотки соединены последовательно - согласно с конденсатором продольной емкости 7 и с выходными зажимами. Пары обмоток самоподмагничивания током второй гармоники соединены последовательно - встречно с конденсатором 8. Обмотки подмагничивания соединены последовательно - согласно с фильтром 9 и подключены к источнику постоянного тока.

Магнитополупроводниковый высокочастотный источник питания работает следующим образом. Вследствие магнитной симметрии сердечников и соединения их первичных обмоток по Т-образной схеме магнитные потоки во всех сердечниках одинаковы и сдвинуты друг относительно друга на полпериода. Поток в первом сердечнике опережает на 0,25 Т поток во втором сердечнике, последний опережает на 0,25 Т поток в третьем сердечнике и т.д. В результате основные гармоники магнитных потоков взаимно сдвинуты на 90°, вторые гармоники - на 180°, четвертые - на 360°. Третьей и других нечетных гармоник нет на кривой потока, так как напряжение, приложенное к первичным обмоткам синусоидально. При подаче напряжения на первичные обмотки на зажимах цепей вторичных обмоток 3 образуется напряжение учетверенной частоты, так как вторые гармоники потоков в соответствующих сердечниках сдвинуты на 180° и наводимые ими электродвижущие силы в цепях обмоток 3 и 1 взаимно уничтожаются, а в цепи обмоток 5 складываются. Электродвижущая сила учетверенной частоты складывается в цепях обмоток 3 и 1 и взаимно уничтожается в цепи обмотки 5. Фильтр 9 в цепи подмагничивания служит для предотвращения замыкания по этой цепи тока учетверенной частоты.

Использование тиристорного преобразователя частоты позволяет получить, во-первых, такую же частоту, как частота сети, во-вторых, частоту в два раза большую, чем частота сети, в третьих, частоту в четыре раза большую чем частота сети и близкую к синусоидальной, что значительно расширяет функциональные возможности магнитополупроводникового высокочастотного источника питания.

Магнитополупроводниковый высокочастотный источник питания, представляющий собой четыре сердечника с расположенными на них первичными и вторичными обмотками, а также обмотками подмагничивания постоянным током и самоподмагничивания емкостным током второй гармоники, отличающийся тем, что содержит два тиристорных преобразователя частоты, каждый из которых связан с парой первичных обмоток, и конденсатор, подключенный к вторичной обмотке.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в частотно-регулируемых электроприводах и системах вторичного электропитания.

Преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией относится к частотно регулируемым электроприводам, в частности к преобразователям частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией и может быть использована в электроприводах ответственных механизмов тепловых объектов, например, котлоагрегатов, технологические режимы которых не допускают внеплановых остановок при кратковременных нарушениях электроснабжения.

Схема высоковольтного преобразователя частоты (пч) постоянного тока для двигателя относится к преобразователям частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией и может быть использована в электроприводах ответственных механизмов непрерывного действия, технологические режимы которых не допускают внеплановых остановок при кратковременном нарушении электроснабжения.

Устройство формирования и регулирования выходного напряжения автономного инвертора для управления асинхронным двигателем относится к области электротехники и может быть использовано для управления автономным инвертором напряжения в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока.

Устройство формирования и регулирования выходного напряжения автономного инвертора для управления асинхронным двигателем относится к области электротехники и может быть использовано для управления автономным инвертором напряжения в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока.

Схема высоковольтного преобразователя частоты (пч) постоянного тока для двигателя относится к преобразователям частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией и может быть использована в электроприводах ответственных механизмов непрерывного действия, технологические режимы которых не допускают внеплановых остановок при кратковременном нарушении электроснабжения.

Преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией относится к частотно регулируемым электроприводам, в частности к преобразователям частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией и может быть использована в электроприводах ответственных механизмов тепловых объектов, например, котлоагрегатов, технологические режимы которых не допускают внеплановых остановок при кратковременных нарушениях электроснабжения.

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в частотно-регулируемых электроприводах и системах вторичного электропитания.

*****

4. Импульсные источники питания.

1. Импульсные источники питания.

ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП (см. рис. 3.4-1): повышающая (выходное напряжение выше входного), понижающая (выходное напряжение ниже входного) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность). Как видно из рисунка, отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.

Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикла

Высокочастотный источник питания

дывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики.

Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента — высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).

К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя "всем скопом" (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.

Рис. 3.4-1 Типовые структурные схемы импульсных источников питания

Высокочастотный источник питания

2. Эффективный импульсный стабилизатор низкого уровня сложности.

Эффективный импульсный стабилизатор низкого уровня сложности

На элементной базе, аналогичной применявшейся в описанном выше (рис. 3.3-3) линейном стабилизаторе, можно построить импульсный стабилизатор напряжения. При таких же характеристиках он будет обладать значительно меньшими габаритами и лучшим тепловым режимом. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рис. 3.4-2. Стабилизатор собран по типовой схеме с понижением напряжения (рис. 3.4-1а).

При первом включении, когда конденсатор С4 разряжен и к выходу подключена достаточно мощная нагрузка, ток протекает через ИС линейного стабилизатора DA1. Вызванное этим током падение напряжения на R1 отпирает ключевой транзистор VT1, который тут-же входит в режим насыщения, так как индуктивное сопротивление L1 велико и через транзистор протекает достаточно большой ток. Падение напряжения на R5 открывает основной ключевой элемент — транзистор VT2. Ток. нарастающий в L1, заряжает С4, при этом через обратную связь на R8 происходит запи-

Высокочастотный источник питания

рание стабилизатора и ключевого транзистора. Энергия. запасенная в катушке, питает нагрузку. Когда напряжение на С4 падает ниже напряжения стабилизации, открывается DA1 и ключевой транзистор. Цикл повторяется с частотой 20-30 кГц.

Цепь R3. R4, С2 задаст уровень выходного напряжения. Его можно плавно регулировать в небольших пределах, от Ucт DA1 до Uвх. Однако если Uвых поднять близко к Uвх, появляется некото рая нестабильность при максимальной нагрузке и повышенный уровень пульсации. Для подавления высокочастотных пульсации на выходе стабилизатора включен фильтр L2, С5.

Схема достаточно проста и максимально эффективна для данного уровня сложности. Все силовые элементы VT1, VT2, VD1, DA1 снабжаются небольшими радиаторами. Входное напряжение нс должно превышать 30 В. что является максимальным для стабилизаторов КР142ЕН8. Выпрямительные диоды применять на ток не менее 3 А.

Рис. 3.4-2 Схема эффективного импульсного стабилизатора на простой элементной базе

Высокочастотный источник питания

3. Устройство бесперебойного питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя.

Устройство бесперебойного питания на основе импульсного стабилизатора

На рис. 3.4-3 предлагается к рассмотрению устройство для бесперебойного питания систем охраны и видеонаблюдения на основе импульсного стабилизатора, совмещенного с зарядным устройством. В стабилизатор введены системы защиты от перегрузки, перегрева, бросков напряжения на выходе, короткого замыкания.

Стабилизатор имеет следующие параметры:

• Входное напряжение, Uвx — 20-30 В:

• Выходное стабилизированное напряжение, Uвыx-12B:

• Номинальный ток нагрузки, Iнагр ном —5А;

• Ток срабатывания системы защиты от перегрузки, Iзащ — 7А;.

• Напряжение срабатывания системы защиты от перенапряжения, Uвых защ — 13 В;

• Максимальный ток зарядки АКБ, Iзар акб макс — 0,7 А;

• Уровень пульсации. Uпульс — 100 мВ,

• Температура срабатывания системы защиты от перегрева, Тзащ — 120 С;

• Скорость переключения на питание от АКБ, tперекл — 10мс (реле РЭС-б РФО.452.112).

Принцип работы импульсного стабилизатора в описываемом устройстве такой же, как и у стабилизатора, представленного выше.

Устройство дополнено зарядным устройством, выполненным на элементах DA2,R7, R8, R9, R10, VD2, С7. ИС стабилизатора напряжения DA2 с делителем тока на R7. R8 ограничивает максимальный начальный ток заряда, делитель R9, R10 задает выходное напряжение заряда, диод VD2 защищает АКБ от саморазряда при отсутствии напряжения питания.

Защита от перегрева использует в качестве датчика температуры терморезистор R16. При срабатывании защиты включается звуковой сигнализатор, собранный на ИС DD 1 и, одновременно, нагрузка отключается от стабилизатора, переходя на питание от АКБ. Терморезистор монтируют на радиаторе транзистора VT1. Точная подстройка уровня срабатывания температурной защиты осуществляется сопротивлением R18.

Датчик напряжения собран на делителе R13,R15. сопротивлением R15 устанавливают точный уровень срабатывания защиты от перенапряжения (13 В). При превышении напряжения на выходе стабилизатора (в случае выхода последнего из строя) реле S1 отключает нагрузку от стабилизатора и подключает ее к АКБ. В случае отключения питающего напряжения, реле S1 переходит в состояние "по умолчанию"- т.е. подключает нагрузку на АКБ.

Приведенная здесь схема не имеет электронной защиты от короткого замыкания для АКБ. эту роль выполняет плавкий предохранитель в цепи питания нагрузки, рассчитанный на максимальный потребляемый ток.

Высокочастотный источник питания

Рис. 3.4-3 Схема устройства бесперебойного питания 12В 5А с многофункциональной системой защиты

Высокочастотный источник питания

4. Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя.

Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя

Достаточно часто при конструировании устройств возникают жесткие требования к размерам источника питания. В этом случае единственным выходом является применение ИП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей. которые подключаются к сети

220 В без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче.

Структурная схема типового импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети представлена на рис 34-4.

Входной фильтр предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Силовые ключи обеспечивают подачу импульсов высокого напряжения на первичную обмотку высокочастотного трансформатора (могут применяться одно- и

Высокочастотный источник питания

двухтактные схемы). Частота и длительность импульсов задаются управляемым генератором (обычно применяется управление шириной импульсов, реже — частотой). В отличие от трансформаторов синусоидального сигнала низкой частоты, в импульсных ИП применяются широкополосные устройства, обеспечивающие эффективную передачу мощности на сигналах с быстрыми фронтами. Это накладывает существенные требования на тип применяемого магнитопровода и конструкцию трансформатора. С другой стороны, с увеличением частоты требуемые размеры трансформатора (с сохранением передаваемой мощности) уменьшаются (современные материалы позволяют строить мощные трансформаторы с приемлемым КПД на частоты до 100-400 кГц). Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением и затем управляет генератором. Обратите внимание на наличие гальванической развязки в цепи обратной связи, что необходимо, если мы хотим обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

При изготовлении таких ИП возникают серьезные требования к применяемым компонентам (что повышает их стоимость по сравнению с традиционными). Во-первых, это касается рабочего напряжения диодов выпрямителя, конденсаторов фильтра и ключевых транзисторов, которое не должно быть менее 350 В во избежание пробоев. Во-вторых, должны применяться высокочастотные ключевые транзисторы (рабочая частота 20-100 кГц) и специальные керамические конденсаторы (обычные оксидные электролиты на высоких частотах будут перегреваться ввиду их высокой индук-

Высокочастотный источник питания

тивности). И. в-третьих, частота насыщения высокочастотного трансформатора, определяемая типом применяемого магнитопро вода (как правило, используются тороидальные сердечники) должна быть значительно выше рабочей частоты преобразователя.

На рис. 3.4-5 приведена принципиальная схема классического ИП на основе высокочастотного преобразователя. Фильтр, состоящий из емкостей С1, С2, СЗ и дросселей L1, L2, служит для зашиты питающей сети от высокочастотных помех со стороны преобразователя. Генератор построен по автоколебательной схеме и совмещен с ключевым каскадом. Ключевые транзисторы VT1 и VT2 работают в противофазе, открываясь и закрываясь по очереди. Запуск генератора и надежную работу обеспечивает транзистор VT3, работающий в режиме лавинного пробоя. При нарастании напряжения на С6 через R3 транзистор открывается и конденсатор разряжается на базу VT2, запуская работу генератора. Напряжение обратной связи снимается с дополнительной (III) обмотки силового трансформатора Tpl.

Транзисторы VT1. VT2 устанавливают на пластинчатые радиаторы не менее 100 см^2. Диоды VD2-VD5 с барьером Шоттки ставятся на небольшой радиатор 5 см^2. Данные дросселей и трансформаторов:L1-1. L2 наматывают на кольцах из феррита 2000НМ К12х8х3 в два провода проводом ПЭЛШО 0,25: 20 витков. ТР1 — на двух кольцах, сложенных вместе, феррит 2000НН КЗ 1х18.5х7;

обмотка 1 — 82 витка проводом ПЭВ-2 0,5: обмотка II — 25+25 витков проводом ПЭВ-2 1,0: обмотка III — 2 витка проводом ПЭВ-2 0.3. ТР2 наматывают на кольце из феррита 2000НН К10х6х5. все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2 0.3: обмотка 1 — 10 витков:

обмотки II и III — по 6 витков, обе обмотки (II и III) намотаны так, что занимают на кольце по 50% площади не касаясь и не перекрывая друг друга, обмотка I намотана равномерно по всему кольцу и изолирована слоем лакоткани. Катушки фильтра выпрямителя L3, L4 наматывают на феррите 2000НМ К 12х8х3 проводом ПЭВ-2 1,0. количество витков — 30. В качестве ключевых транзисторов VT1, VT2 могут применяться КТ809А. КТ812, КТ841.

Номиналы элементов и намоточные данные трансформаторов приведены для выходного напряжения 35 В. В случае, когда требуются иные рабочие значения параметров, следует соответству ющим образом изменить количество витков в обмотке 2 Тр1.

Описанная схема имеет существенные недостатки, обусловленные стремлением предельно уменьшить количество применяемых компонентов Это и низкий "уровень стабилизации выходного напряжения, и нестабильная ненадежная работа, и низкий выходной ток. Однако она вполне пригодна для питания простейших конструкций разной мощности (при применении соответствующих компонентов), таких как: калькуляторы. АОНы. осветительные приборы и т.п.

Высокочастотный источник питания

Еще одна схема ИП на основе высокочастотного импульсного преобразователя приведена на рис. 3.4-6. Основным отличием этой схемы от стандартной структуры, представленной на рис. 3 .4-4 является отсутствие цепи обратной связи. В связи с этим, стабильность напряжения на выходных обмотках ВЧ трансформатора Тр2 достаточно низкая и требуется применение вторичных стабилизаторов (в схеме используются универсальные интегральные стабилизаторы на ИС серии КР142).

Рис. 3.4-4 Структурная схема типового высокочастотного импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети

Рис. 3.4-5 Источник питания 35В на основе импульсного ВЧ преобразователя

Рис. 3.4-6 Сетевой импульсный источник питания на основе ВЧ преобразователя

5. Импульсный стабилизатор с ключевым МДП-транзистором со считыванием тока.

Рис. 3.4-7 Импульсный стабилизатор с ключевым МДП-транзистором со считываением тока

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *